Niobato de litio sobre illante (LNOI): impulsando o avance dos circuítos integrados fotónicos

Introdución

Inspirado polo éxito dos circuítos integrados electrónicos (EIC), o campo dos circuítos integrados fotónicos (PIC) evolucionou desde a súa creación en 1969. Non obstante, a diferenza dos EIC, o desenvolvemento dunha plataforma universal capaz de soportar diversas aplicacións fotónicas segue a ser un desafío importante. Este artigo explora a tecnoloxía emerxente de niobato de litio sobre illante (LNOI), que se converteu rapidamente nunha solución prometedora para os PIC de próxima xeración.

O auxe da tecnoloxía LNOI

O niobato de litio (LN) foi recoñecido durante moito tempo como un material clave para aplicacións fotónicas. Non obstante, só coa chegada da LNOI de película fina e as técnicas avanzadas de fabricación se liberou todo o seu potencial. Os investigadores demostraron con éxito guías de onda de cristas de perdas ultrabaxas e microresonadores de Q ultraalto en plataformas LNOI [1], o que supón un salto significativo na fotónica integrada.

Principais vantaxes da tecnoloxía LNOI

• Perda óptica ultrabaixa(tan baixo como 0,01 dB/cm)
• Estruturas nanofotónicas de alta calidade
• Soporte para diversos procesos ópticos non lineais
• Sintonización electroóptica (EO) integrada

Procesos ópticos non lineais en LNOI

As estruturas nanofotónicas de alto rendemento fabricadas na plataforma LNOI permiten a realización de procesos ópticos non lineais clave cunha eficiencia notable e unha potencia de bombeo mínima. Os procesos demostrados inclúen:

• Segunda xeración harmónica (SHG)
• Xeración de frecuencias de suma (SFG)
• Xeración de frecuencia diferencial (DFG)
• Conversión paramétrica descendente (PDC)
• Mestura de catro ondas (FWM)

Implementáronse varios esquemas de coincidencia de fases para optimizar estes procesos, o que establece a LNOI como unha plataforma óptica non lineal altamente versátil.

Dispositivos integrados electroópticamente sintonizables

A tecnoloxía LNOI tamén permitiu o desenvolvemento dunha ampla gama de dispositivos fotónicos sintonizables activos e pasivos, como:

• Moduladores ópticos de alta velocidade
• PICs multifuncionais reconfigurables
• Peites de frecuencia sintonizables
• Resortes microoptomecánicos

Estes dispositivos aproveitan as propiedades intrínsecas de EO do niobato de litio para lograr un control preciso e de alta velocidade dos sinais luminosos.

Aplicacións prácticas da fotónica LNOI

Os PIC baseados en LNOI están a ser adoptados nun número crecente de aplicacións prácticas, incluíndo:

• Conversores de microondas a óptico
• Sensores ópticos
• Espectrómetros en chip
• Peites de frecuencia ópticos
• Sistemas de telecomunicacións avanzados

Estas aplicacións demostran o potencial do LNOI para igualar o rendemento dos compoñentes ópticos a granel, ao tempo que ofrece solucións escalables e enerxeticamente eficientes mediante a fabricación fotolitográfica.

Desafíos actuais e direccións futuras

Malia os seus prometedores progresos, a tecnoloxía LNOI enfróntase a varios obstáculos técnicos:

a) Redución adicional da perda óptica
A perda de corrente na guía de ondas (0,01 dB/cm) segue sendo unha orde de magnitude superior ao límite de absorción do material. Necesítanse avances nas técnicas de corte de ións e na nanofabricación para reducir a rugosidade superficial e os defectos relacionados coa absorción.

b) Control mellorado da xeometría da guía de ondas
Habilitar guías de onda de menos de 700 nm e intervalos de acoplamento de menos de 2 μm sen sacrificar a repetibilidade nin aumentar a perda de propagación é crucial para unha maior densidade de integración.

c) Mellora da eficiencia do acoplamento
Aínda que as fibras cónicas e os convertidores de modo axudan a conseguir unha alta eficiencia de acoplamento, os revestimentos antirreflexo poden mitigar aínda máis as reflexións na interface aire-material.

d) Desenvolvemento de compoñentes de polarización de baixa perda
Os dispositivos fotónicos insensibles á polarización en LNOI son esenciais e requiren compoñentes que coincidan co rendemento dos polarizadores de espazo libre.

e) Integración da electrónica de control
A integración eficaz de electrónica de control a grande escala sen degradar o rendemento óptico é unha dirección de investigación clave.

f) Enxeñaría avanzada de adaptación de fases e dispersión
A creación de padrones de dominios fiables a unha resolución submicrónica é vital para a óptica non lineal, pero segue sendo unha tecnoloxía inmatura na plataforma LNOI.

g) Compensación por defectos de fabricación
As técnicas para mitigar os cambios de fase causados por cambios ambientais ou variacións de fabricación son esenciais para a implementación no mundo real.

h) Acoplamento multichip eficiente
Abordar o acoplamento eficiente entre varios chips LNOI é necesario para escalar máis alá dos límites de integración dunha soa oblea.

Integración monolítica de compoñentes activos e pasivos

Un desafío fundamental para os PIC de LNOI é a integración monolítica rendible de compoñentes activos e pasivos como:

• Láseres
• Detectores
• Conversores de lonxitude de onda non lineais
• Moduladores
• Multiplexores/Desmultiplexores

As estratexias actuais inclúen:

a) Dopaxe iónica de LNOI:
O dopaxe selectivo de ións activos en rexións designadas pode dar lugar a fontes de luz no chip.

b) Ligazón e integración heteroxénea:
A unión de PIC LNOI pasivos prefabricados con capas de LNOI dopadas ou láseres III-V proporciona unha vía alternativa.

c) Fabricación de obleas LNOI híbridas activas/pasivas:
Un enfoque innovador implica a unión de obleas de LN dopadas e non dopadas antes do corte iónico, o que resulta en obleas de LNOI con rexións activas e pasivas.

Figura 1ilustra o concepto de PIC activos/pasivos integrados híbridos, onde un único proceso litográfico permite a aliñación e integración perfectas de ambos os tipos de compoñentes.

Integración de fotodetectores

A integración de fotodetectores en PIC baseados en LNOI é outro paso crucial cara a sistemas totalmente funcionais. Están a investigarse dúas abordaxes principais:

a) Integración heteroxénea:
As nanoestruturas semicondutoras poden acoplarse transitoriamente a guías de onda LNOI. Non obstante, aínda se precisan melloras na eficiencia da detección e na escalabilidade.

b) Conversión de lonxitude de onda non lineal:
As propiedades non lineais do LN permiten a conversión de frecuencia dentro das guías de onda, o que permite o uso de fotodetectores de silicio estándar independentemente da lonxitude de onda de funcionamento.

Conclusión

O rápido avance da tecnoloxía LNOI achega á industria unha plataforma PIC universal capaz de servir a unha ampla gama de aplicacións. Ao abordar os desafíos existentes e impulsar as innovacións na integración monolítica e de detectores, os PIC baseados en LNOI teñen o potencial de revolucionar campos como as telecomunicacións, a información cuántica e a detección.

O LNOI promete cumprir a visión de longa data dos PIC escalables, igualando o éxito e o impacto dos EIC. Os esforzos continuos de I+D, como os da Plataforma de Procesos Fotónicos de Nanjing e a Plataforma de Deseño XiaoyaoTech, serán fundamentais para dar forma ao futuro da fotónica integrada e desbloquear novas posibilidades en todos os dominios tecnolóxicos.