Introducción
Inspirado por el éxito de los circuitos integrados electrónicos (EIC), el campo de los circuitos integrados fotónicos (PIC) ha evolucionado desde sus inicios en 1969. Sin embargo, a diferencia de los EIC, el desarrollo de una plataforma universal capaz de soportar diversas aplicaciones fotónicas sigue siendo un gran desafío. 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 próxima generación.
El auge de la tecnología LNOI
El niobato de litio (LN) se ha reconocido desde hace tiempo como un material clave para aplicaciones fotónicas. Sin embargo, solo con la llegada de las películas delgadas de LNOI y las técnicas de fabricación avanzadas se ha podido aprovechar todo su potencial. Los investigadores han demostrado con éxito guías de onda de cresta de pérdidas ultrabajas y microresonadores de factor Q ultraalto en plataformas de 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
- Sintonización electroóptica (EO) integrada
Procesos ópticos no lineales en LNOI
Las nanoestructuras fotónicas de alto rendimiento fabricadas en la plataforma LNOI permiten la realización de procesos ópticos no lineales clave con una eficiencia notable y una potencia de bombeo mínima. Entre los procesos demostrados se incluyen:
- Generación de segundo armónico (SHG)
- Generación de frecuencia suma (SFG)
- Generación de frecuencia diferencial (DFG)
- Conversión descendente paramétrica (PDC)
- Mezcla de cuatro ondas (FWM)
Se han implementado diversos esquemas de acoplamiento de fase para optimizar estos procesos, estableciendo a LNOI como una plataforma óptica no lineal altamente versátil.
Dispositivos integrados electroópticamente sintonizables
La tecnología LNOI también ha permitido el desarrollo de una amplia gama de dispositivos fotónicos sintonizables activos y pasivos, tales como:
- moduladores ópticos de alta velocidad
- Circuitos integrados fotónicos multifuncionales reconfigurables
- Peines de frecuencia sintonizables
- Muelles micro-optomecánicos
Estos dispositivos aprovechan las propiedades electroópticas intrínsecas del niobato de litio para lograr un control preciso y de alta velocidad de las señales luminosas.
Aplicaciones prácticas de la fotónica LNOI
Los PIC basados en LNOI se están adoptando actualmente en un número creciente de aplicaciones prácticas, entre las que se incluyen:
- Convertidores de microondas a ópticos
- sensores ópticos
- espectrómetros en chip
- Peines de frecuencia óptica
- Sistemas de telecomunicaciones avanzados
Estas aplicaciones demuestran el potencial de LNOI para igualar el rendimiento de los componentes ópticos convencionales, al tiempo que ofrecen soluciones escalables y energéticamente eficientes mediante fabricación fotolitográfica.
Desafíos actuales y direcciones futuras
A pesar de sus prometedores avances, la tecnología LNOI se enfrenta a varios obstáculos técnicos:
a) Reducción adicional de la pérdida óptica
La pérdida actual en la guía de ondas (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 iónico y nanofabricación para reducir la rugosidad superficial y los defectos relacionados con la absorción.
b) Control mejorado de la geometría de la guía de ondas
Habilitar guías de onda 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 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 antirreflectantes pueden mitigar aún más las reflexiones en 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 igualen 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 línea de investigación clave.
f) Ingeniería avanzada de acoplamiento de fase y dispersión
La creación de patrones de dominio fiables 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 variaciones ambientales o de fabricación son esenciales para su implementación en el mundo real.
h) Acoplamiento eficiente de múltiples chips
Para superar los límites de integración de una sola oblea, es necesario abordar el acoplamiento eficiente entre múltiples chips LNOI.
Integración monolítica de componentes activos y pasivos
Un desafío fundamental para los PIC de LNOI es la integración monolítica rentable de componentes activos y pasivos, tales 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 integradas en el chip.
b) Enlace e integración heterogénea:
La unión de circuitos integrados fotónicos pasivos de LNOI prefabricados con capas de LNOI dopadas o láseres III-V proporciona una vía alternativa.
c) Fabricación de obleas LNOI híbridas activas/pasivas:
Un enfoque innovador consiste en unir obleas de LN dopadas y no dopadas antes del corte iónico, lo que da como resultado obleas de LNOI con regiones tanto activas como pasivas.
Figura 1Ilustra el concepto de PIC híbridos integrados activos/pasivos, donde un único proceso litográfico permite la alineación e integración perfectas de ambos tipos de componentes.
Integración de fotodetectores
La integración de fotodetectores en circuitos integrados fotónicos basados en LNOI es otro paso crucial hacia sistemas completamente 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 del LN permiten la conversión de frecuencia dentro de las guías de onda, lo que posibilita el uso de fotodetectores de silicio estándar independientemente de la longitud de onda de funcionamiento.
Conclusión
El rápido avance de la tecnología LNOI acerca a la industria a una plataforma PIC universal capaz de abarcar una amplia gama de aplicaciones. Al abordar los desafíos existentes e impulsar innovaciones en la integración de circuitos integrados monolíticos y 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 de larga data de circuitos integrados fotónicos escalables, igualando el éxito y el impacto de los circuitos integrados electrónicos. Los esfuerzos continuos en I+D, como los de la Plataforma de Procesos Fotónicos de Nanjing y la Plataforma de Diseño XiaoyaoTech, serán fundamentales para configurar el futuro de la fotónica integrada y abrir nuevas posibilidades en diversos campos tecnológicos.
Fecha de publicación: 18 de julio de 2025