Introducció
Inspirat per l'èxit dels circuits integrats electrònics (EIC), el camp dels circuits integrats fotònics (PIC) ha anat evolucionant des dels seus inicis el 1969. Tanmateix, a diferència dels EIC, el desenvolupament d'una plataforma universal capaç de suportar diverses aplicacions fotòniques continua sent un repte important. Aquest article explora la tecnologia emergent de niobat de liti sobre aïllant (LNOI), que s'ha convertit ràpidament en una solució prometedora per als PIC de nova generació.
L'auge de la tecnologia LNOI
El niobat de liti (LN) ha estat reconegut durant molt de temps com un material clau per a aplicacions fotòniques. Tanmateix, només amb l'arribada de la LNOI de pel·lícula fina i les tècniques de fabricació avançades s'ha desbloquejat tot el seu potencial. Els investigadors han demostrat amb èxit guies d'ona de cresta de pèrdues ultrabaixes i microresonadors de Q ultraalt en plataformes LNOI [1], cosa que marca un salt significatiu en la fotònica integrada.
Avantatges clau de la tecnologia LNOI
- Pèrdua òptica ultrabaixa(tan baix com 0,01 dB/cm)
- Estructures nanofotòniques d'alta qualitat
- Suport per a diversos processos òptics no lineals
- Sintonitzabilitat electroòptica (EO) integrada
Processos òptics no lineals en LNOI
Les estructures nanofotòniques d'alt rendiment fabricades a la plataforma LNOI permeten la realització de processos òptics no lineals clau amb una eficiència notable i una potència de bombament mínima. Els processos demostrats inclouen:
- Segona generació harmònica (SHG)
- Generació de freqüències de suma (SFG)
- Generació de freqüència diferencial (DFG)
- Conversió paramètrica descendent (PDC)
- Mescla de quatre ones (FWM)
S'han implementat diversos esquemes d'adaptació de fase per optimitzar aquests processos, establint LNOI com una plataforma òptica no lineal altament versàtil.
Dispositius integrats electroòpticament sintonitzables
La tecnologia LNOI també ha permès el desenvolupament d'una àmplia gamma de dispositius fotònics sintonitzables actius i passius, com ara:
- Moduladors òptics d'alta velocitat
- PICs multifuncionals reconfigurables
- Pintes de freqüència sintonitzables
- Molles micro-optomecàniques
Aquests dispositius aprofiten les propietats intrínseques d'EO del niobat de liti per aconseguir un control precís i d'alta velocitat dels senyals lluminosos.
Aplicacions pràctiques de la fotònica LNOI
Els PIC basats en LNOI s'estan adoptant en un nombre creixent d'aplicacions pràctiques, com ara:
- Convertidors de microones a òptics
- Sensors òptics
- Espectròmetres en xip
- Pintes de freqüència òptica
- Sistemes de telecomunicacions avançats
Aquestes aplicacions demostren el potencial de l'LNOI per igualar el rendiment dels components òptics a granel, alhora que ofereixen solucions escalables i eficients energèticament mitjançant la fabricació fotolitogràfica.
Reptes actuals i direccions futures
Malgrat el seu prometedor progrés, la tecnologia LNOI s'enfronta a diversos obstacles tècnics:
a) Reduir encara més la pèrdua òptica
La pèrdua de corrent a la guia d'ones (0,01 dB/cm) encara és un ordre de magnitud superior al límit d'absorció del material. Calen avenços en les tècniques de tall d'ions i la nanofabricació per reduir la rugositat superficial i els defectes relacionats amb l'absorció.
b) Control millorat de la geometria de la guia d'ones
L'habilitació de guies d'ona de menys de 700 nm i buits d'acoblament de menys de 2 μm sense sacrificar la repetibilitat ni augmentar la pèrdua de propagació és crucial per a una major densitat d'integració.
c) Millora de l'eficiència de l'acoblament
Mentre que les fibres cònica i els convertidors de mode ajuden a aconseguir una alta eficiència d'acoblament, els recobriments antireflectants poden mitigar encara més les reflexions de la interfície aire-material.
d) Desenvolupament de components de polarització de baixa pèrdua
Els dispositius fotònics insensibles a la polarització en LNOI són essencials i requereixen components que coincideixin amb el rendiment dels polaritzadors d'espai lliure.
e) Integració de l'electrònica de control
La integració efectiva de l'electrònica de control a gran escala sense degradar el rendiment òptic és una direcció clau de recerca.
f) Enginyeria de dispersió i adaptació de fases avançades
El patró de dominis fiable a una resolució submicrònica és vital per a l'òptica no lineal, però continua sent una tecnologia immadura a la plataforma LNOI.
g) Compensació per defectes de fabricació
Les tècniques per mitigar els canvis de fase causats per canvis ambientals o variàncies de fabricació són essencials per al desplegament en el món real.
h) Acoblament multixip eficient
Abordar l'acoblament eficient entre múltiples xips LNOI és necessari per escalar més enllà dels límits d'integració d'una sola oblia.
Integració monolítica de components actius i passius
Un repte principal per als PIC de LNOI és la integració monolítica rendible de components actius i passius com ara:
- Làsers
- Detectors
- Convertidors de longitud d'ona no lineals
- Moduladors
- Multiplexors/Desmultiplexors
Les estratègies actuals inclouen:
a) Dopatge iònic de LNOI:
El dopatge selectiu d'ions actius en regions designades pot conduir a fonts de llum en el xip.
b) Enllaç i integració heterogènia:
La unió de PIC LNOI passius prefabricats amb capes LNOI dopades o làsers III-V proporciona una via alternativa.
c) Fabricació de làmines LNOI híbrides actives/passives:
Un enfocament innovador consisteix a unir oblies de LN dopades i no dopades abans del tall d'ions, donant lloc a oblies de LNOI amb regions actives i passives.
Figura 1il·lustra el concepte de PIC actius/passius integrats híbrids, on un únic procés litogràfic permet una alineació i integració perfecta d'ambdós tipus de components.
Integració de fotodetectors
La integració de fotodetectors en PIC basats en LNOI és un altre pas crucial cap a sistemes completament funcionals. S'estan investigant dos enfocaments principals:
a) Integració heterogènia:
Les nanoestructures semiconductores es poden acoblar transitòriament a guies d'ones LNOI. Tanmateix, encara calen millores en l'eficiència de detecció i l'escalabilitat.
b) Conversió de longitud d'ona no lineal:
Les propietats no lineals de l'LN permeten la conversió de freqüència dins de les guies d'ona, cosa que permet l'ús de fotodetectors de silici estàndard independentment de la longitud d'ona de funcionament.
Conclusió
El ràpid avenç de la tecnologia LNOI apropa la indústria a una plataforma PIC universal capaç de servir una àmplia gamma d'aplicacions. En abordar els reptes existents i impulsar les innovacions en la integració monolítica i de detectors, els PIC basats en LNOI tenen el potencial de revolucionar camps com les telecomunicacions, la informació quàntica i la detecció.
LNOI promet complir la visió de llarga data dels PIC escalables, igualant l'èxit i l'impacte dels EIC. Els esforços continus d'R+D, com ara els de la Plataforma de Processos Fotònics de Nanjing i la Plataforma de Disseny XiaoyaoTech, seran fonamentals per donar forma al futur de la fotònica integrada i desbloquejar noves possibilitats en tots els àmbits tecnològics.
Data de publicació: 18 de juliol de 2025