Introducción
Inspirado por el éxito de los circuitos electrónicos integrados (EIC), el campo de los circuitos fotónicos integrados (PIC) ha evolucionado desde su creación en 1969. Sin embargo, a diferencia de los EIC, el desarrollo de una plataforma universal compatible con diversas aplicaciones fotónicas sigue siendo un gran reto. Este artículo explora la tecnología emergente de niobato de litio sobre aislante (LNOI), que se ha convertido rápidamente en una solución prometedora para los PIC de nueva generación.
El auge de la tecnología LNOI
El niobato de litio (LN) se reconoce desde hace tiempo como un material clave para aplicaciones fotónicas. Sin embargo, solo con la llegada de la película delgada LNOI y las técnicas de fabricación avanzadas se ha descubierto todo su potencial. Investigadores han demostrado con éxito guías de onda de cresta de pérdida ultrabaja y microrresonadores de Q ultraalto en plataformas LNOI [1], lo que supone un avance significativo en la fotónica integrada.
Ventajas clave de la tecnología LNOI
- Pérdida óptica ultrabaja(tan bajo como 0,01 dB/cm)
- Estructuras nanofotónicas de alta calidad
- Soporte para diversos procesos ópticos no lineales
- Ajuste electroóptico (EO) integrado
Procesos ópticos no lineales en LNOI
Las estructuras nanofotónicas de alto rendimiento fabricadas en la plataforma LNOI permiten la realización de procesos ópticos no lineales clave con una eficiencia notable y un consumo mínimo de energía. Los procesos demostrados incluyen:
- Generación de Segundo Armónico (SHG)
- Generación de frecuencia de suma (SFG)
- Generación de frecuencia diferencial (DFG)
- Conversión descendente paramétrica (PDC)
- Mezcla de cuatro ondas (FWM)
Se han implementado varios esquemas de adaptación de fase para optimizar estos procesos, estableciendo a LNOI como una plataforma óptica no lineal altamente versátil.
Dispositivos integrados sintonizables electroópticamente
La tecnología LNOI también ha permitido el desarrollo de una amplia gama de dispositivos fotónicos sintonizables activos y pasivos, como:
- Moduladores ópticos de alta velocidad
- PIC multifuncionales reconfigurables
- Peines de frecuencia sintonizables
- Resortes micro-optomecánicos
Estos dispositivos aprovechan las propiedades EO intrínsecas del niobato de litio para lograr un control preciso y de alta velocidad de las señales de luz.
Aplicaciones prácticas de la fotónica LNOI
Los PIC basados en LNOI se están adoptando actualmente en un número cada vez mayor de aplicaciones prácticas, entre las que se incluyen:
- Convertidores de microondas a ópticos
- sensores ópticos
- Espectrómetros en chip
- Peines de frecuencia óptica
- Sistemas avanzados de telecomunicaciones
Estas aplicaciones demuestran el potencial de LNOI para igualar el rendimiento de los componentes ópticos masivos, al tiempo que ofrece soluciones escalables y energéticamente eficientes a través de la fabricación fotolitográfica.
Desafíos actuales y direcciones futuras
A pesar de su prometedor progreso, la tecnología LNOI enfrenta varios obstáculos técnicos:
a) Reducción adicional de la pérdida óptica
La pérdida de la guía de ondas de corriente (0,01 dB/cm) sigue siendo un orden de magnitud superior al límite de absorción del material. Se necesitan avances en las técnicas de corte de iones y la nanofabricación para reducir la rugosidad superficial y los defectos relacionados con la absorción.
b) Control mejorado de la geometría de la guía de ondas
Permitir guías de ondas de menos de 700 nm y espacios de acoplamiento de menos de 2 μm sin sacrificar la repetibilidad ni aumentar la pérdida de propagación es crucial para lograr una mayor densidad de integración.
c) Mejora de la eficiencia del acoplamiento
Si bien las fibras cónicas y los convertidores de modo ayudan a lograr una alta eficiencia de acoplamiento, los recubrimientos antirreflejos pueden mitigar aún más los reflejos de la interfaz aire-material.
d) Desarrollo de componentes de polarización de baja pérdida
Los dispositivos fotónicos insensibles a la polarización en LNOI son esenciales y requieren componentes que coincidan con el rendimiento de los polarizadores de espacio libre.
e) Integración de la electrónica de control
La integración efectiva de la electrónica de control a gran escala sin degradar el rendimiento óptico es una dirección de investigación clave.
f) Ingeniería avanzada de coincidencia de fases y dispersión
La creación de patrones de dominio confiables con una resolución submicrónica es vital para la óptica no lineal, pero sigue siendo una tecnología inmadura en la plataforma LNOI.
g) Compensación por defectos de fabricación
Las técnicas para mitigar los cambios de fase causados por cambios ambientales o variaciones de fabricación son esenciales para la implementación en el mundo real.
h) Acoplamiento multichip eficiente
Es necesario abordar el acoplamiento eficiente entre múltiples chips LNOI para escalar más allá de los límites de integración de una sola oblea.
Integración monolítica de componentes activos y pasivos
Un desafío central para los PIC LNOI es la integración monolítica rentable de componentes activos y pasivos como:
- Láseres
- Detectores
- Convertidores de longitud de onda no lineales
- Moduladores
- Multiplexores/Demultiplexores
Las estrategias actuales incluyen:
a) Dopaje iónico de LNOI:
El dopaje selectivo de iones activos en regiones designadas puede dar lugar a fuentes de luz en el chip.
b) Enlace e integración heterogénea:
La unión de PIC LNOI pasivos prefabricados con capas LNOI dopadas o láseres III-V proporciona un camino alternativo.
c) Fabricación de obleas LNOI híbridas activas/pasivas:
Un enfoque innovador implica unir obleas de LN dopadas y no dopadas antes del corte de iones, lo que da como resultado obleas LNOI con regiones activas y pasivas.
Figura 1Ilustra el concepto de PIC activos/pasivos integrados híbridos, donde un único proceso litográfico permite la alineación e integración perfectas de ambos tipos de componentes.
Integración de fotodetectores
La integración de fotodetectores en PIC basados en LNOI es otro paso crucial hacia sistemas plenamente funcionales. Se están investigando dos enfoques principales:
a) Integración heterogénea:
Las nanoestructuras semiconductoras pueden acoplarse transitoriamente a guías de onda LNOI. Sin embargo, aún se requieren mejoras en la eficiencia de detección y la escalabilidad.
b) Conversión de longitud de onda no lineal:
Las propiedades no lineales de LN permiten la conversión de frecuencia dentro de las guías de ondas, lo que posibilita el uso de fotodetectores de silicio estándar independientemente de la longitud de onda operativa.
Conclusión
El rápido avance de la tecnología LNOI acerca a la industria a una plataforma PIC universal capaz de atender una amplia gama de aplicaciones. Al abordar los desafíos existentes e impulsar innovaciones en la integración monolítica y de detectores, los PIC basados en LNOI tienen el potencial de revolucionar campos como las telecomunicaciones, la información cuántica y la detección.
LNOI promete hacer realidad la visión histórica de PIC escalables, igualando el éxito y el impacto de los EIC. Los continuos esfuerzos de I+D, como los de la Plataforma de Proceso Fotónico de Nanjing y la Plataforma de Diseño XiaoyaoTech, serán fundamentales para definir el futuro de la fotónica integrada y abrir nuevas posibilidades en todos los ámbitos tecnológicos.
Hora de publicación: 18 de julio de 2025