Introdução
Inspirado pelo sucesso dos circuitos integrados eletrônicos (CIEs), o campo dos circuitos integrados fotônicos (PICs) vem evoluindo desde sua criação em 1969. No entanto, diferentemente dos CIEs, o desenvolvimento de uma plataforma universal capaz de suportar diversas aplicações fotônicas continua sendo um grande desafio. Este artigo explora a tecnologia emergente de niobato de lítio sobre isolador (LNOI), que rapidamente se tornou uma solução promissora para a próxima geração de PICs.
A ascensão da tecnologia LNOI
O niobato de lítio (LN) é há muito reconhecido como um material essencial para aplicações fotônicas. No entanto, somente com o advento do LNOI de filme fino e técnicas avançadas de fabricação é que todo o seu potencial foi desbloqueado. Pesquisadores demonstraram com sucesso guias de onda de crista com perdas ultrabaixas e microrressonadores de Q ultra-alto em plataformas LNOI [1], marcando um avanço significativo na fotônica integrada.
Principais vantagens da tecnologia LNOI
- Perda óptica ultrabaixa(tão baixo quanto 0,01 dB/cm)
- Estruturas nanofotônicas de alta qualidade
- Suporte para diversos processos ópticos não lineares
- Ajustabilidade eletro-óptica (EO) integrada
Processos ópticos não lineares em LNOI
Estruturas nanofotônicas de alto desempenho fabricadas na plataforma LNOI permitem a realização de processos ópticos não lineares essenciais com eficiência notável e potência de bombeamento mínima. Os processos demonstrados incluem:
- Segunda Geração Harmônica (SHG)
- Geração de Frequência de Soma (SFG)
- Geração de Frequência Diferencial (DFG)
- Conversão descendente paramétrica (PDC)
- Mixagem de quatro ondas (FWM)
Vários esquemas de correspondência de fase foram implementados para otimizar esses processos, estabelecendo o LNOI como uma plataforma óptica não linear altamente versátil.
Dispositivos Integrados Ajustáveis Eletro-Opticamente
A tecnologia LNOI também permitiu o desenvolvimento de uma ampla gama de dispositivos fotônicos sintonizáveis ativos e passivos, como:
- Moduladores ópticos de alta velocidade
- PICs multifuncionais reconfiguráveis
- Pentes de frequência sintonizáveis
- Molas micro-optomecânicas
Esses dispositivos aproveitam as propriedades intrínsecas de EO do niobato de lítio para obter controle preciso e de alta velocidade dos sinais de luz.
Aplicações práticas da fotônica LNOI
Os PICs baseados em LNOI estão sendo adotados em um número crescente de aplicações práticas, incluindo:
- Conversores de micro-ondas para óptico
- Sensores ópticos
- Espectrômetros no chip
- Pentes de frequência óptica
- Sistemas avançados de telecomunicações
Essas aplicações demonstram o potencial do LNOI para corresponder ao desempenho de componentes ópticos em massa, ao mesmo tempo em que oferece soluções escaláveis e com eficiência energética por meio da fabricação fotolitográfica.
Desafios atuais e direções futuras
Apesar do seu progresso promissor, a tecnologia LNOI enfrenta vários obstáculos técnicos:
a) Reduzindo ainda mais a perda óptica
A perda atual do guia de onda (0,01 dB/cm) ainda é uma ordem de magnitude superior ao limite de absorção do material. Avanços nas técnicas de fatiamento de íons e nanofabricação são necessários para reduzir a rugosidade da superfície e os defeitos relacionados à absorção.
b) Controle de geometria de guia de onda aprimorado
Habilitar guias de onda abaixo de 700 nm e lacunas de acoplamento abaixo de 2 μm sem sacrificar a repetibilidade ou aumentar a perda de propagação é crucial para maior densidade de integração.
c) Melhorar a eficiência do acoplamento
Enquanto fibras cônicas e conversores de modo ajudam a atingir alta eficiência de acoplamento, revestimentos antirreflexo podem mitigar ainda mais as reflexões da interface ar-material.
d) Desenvolvimento de Componentes de Polarização de Baixa Perda
Dispositivos fotônicos insensíveis à polarização em LNOI são essenciais, exigindo componentes que correspondam ao desempenho dos polarizadores de espaço livre.
e) Integração da Eletrônica de Controle
A integração eficaz de eletrônicos de controle em larga escala sem degradar o desempenho óptico é uma direção fundamental da pesquisa.
f) Engenharia Avançada de Correspondência de Fase e Dispersão
A padronização de domínio confiável em resolução submicrônica é vital para a óptica não linear, mas continua sendo uma tecnologia imatura na plataforma LNOI.
g) Compensação por defeitos de fabricação
Técnicas para mitigar mudanças de fase causadas por mudanças ambientais ou variações de fabricação são essenciais para implantação no mundo real.
h) Acoplamento Multi-Chip Eficiente
É necessário abordar o acoplamento eficiente entre vários chips LNOI para expandir além dos limites de integração de wafer único.
Integração Monolítica de Componentes Ativos e Passivos
Um desafio fundamental para os PICs LNOI é a integração monolítica econômica de componentes ativos e passivos, como:
- Lasers
- Detectores
- Conversores de comprimento de onda não lineares
- Moduladores
- Multiplexadores/Desmultiplexadores
As estratégias atuais incluem:
a) Dopagem iônica de LNOI:
A dopagem seletiva de íons ativos em regiões designadas pode levar a fontes de luz no chip.
b) Ligação e Integração Heterogênea:
A união de PICs LNOI passivos pré-fabricados com camadas LNOI dopadas ou lasers III-V fornece um caminho alternativo.
c) Fabricação de wafers LNOI híbridos ativos/passivos:
Uma abordagem inovadora envolve a ligação de wafers LN dopados e não dopados antes do fatiamento iônico, resultando em wafers LNOI com regiões ativas e passivas.
Figura 1ilustra o conceito de PICs ativos/passivos integrados híbridos, onde um único processo litográfico permite alinhamento e integração perfeitos de ambos os tipos de componentes.
Integração de Fotodetectores
A integração de fotodetectores em PICs baseados em LNOI é outro passo crucial rumo a sistemas totalmente funcionais. Duas abordagens principais estão sendo investigadas:
a) Integração Heterogênea:
Nanoestruturas semicondutoras podem ser acopladas transitoriamente a guias de onda LNOI. No entanto, melhorias na eficiência de detecção e escalabilidade ainda são necessárias.
b) Conversão de comprimento de onda não linear:
As propriedades não lineares do LN permitem a conversão de frequência dentro de guias de onda, possibilitando o uso de fotodetectores de silício padrão, independentemente do comprimento de onda operacional.
Conclusão
O rápido avanço da tecnologia LNOI aproxima a indústria de uma plataforma PIC universal, capaz de atender a uma ampla gama de aplicações. Ao abordar os desafios existentes e impulsionar inovações em integração monolítica e de detectores, os PICs baseados em LNOI têm o potencial de revolucionar áreas como telecomunicações, informação quântica e sensoriamento.
A LNOI promete concretizar a visão de longa data de PICs escaláveis, equiparando-se ao sucesso e impacto dos EICs. Esforços contínuos de P&D — como os da Plataforma de Processos Fotônicos de Nanquim e da Plataforma de Design XiaoyaoTech — serão essenciais para moldar o futuro da fotônica integrada e desbloquear novas possibilidades em todos os domínios tecnológicos.
Data de publicação: 18 de julho de 2025