Introduction
Inspiré par le succès des circuits intégrés électroniques (CIE), le domaine des circuits intégrés photoniques (CIP) évolue depuis sa création en 1969. Cependant, contrairement aux CI, le développement d'une plateforme universelle capable de prendre en charge diverses applications photoniques reste un défi majeur. Cet article explore la technologie émergente du niobate de lithium sur isolant (LNOI), rapidement devenue une solution prometteuse pour les CIP de nouvelle génération.
L'essor de la technologie LNOI
Le niobate de lithium (LN) est reconnu depuis longtemps comme un matériau clé pour les applications photoniques. Cependant, ce n'est qu'avec l'avènement des LNOI en couches minces et des techniques de fabrication avancées que son plein potentiel a été exploité. Des chercheurs ont démontré avec succès des guides d'ondes à crête à très faibles pertes et des microrésonateurs à très haut facteur Q sur des plateformes LNOI [1], marquant une avancée significative dans la photonique intégrée.
Principaux avantages de la technologie LNOI
- Perte optique ultra-faible(aussi bas que 0,01 dB/cm)
- Structures nanophotoniques de haute qualité
- Prise en charge de divers processus optiques non linéaires
- Accordabilité électro-optique (EO) intégrée
Processus optiques non linéaires sur LNOI
Les structures nanophotoniques hautes performances fabriquées sur la plateforme LNOI permettent la réalisation de procédés optiques non linéaires clés avec une efficacité remarquable et une puissance de pompage minimale. Parmi les procédés démontrés, on peut citer :
- Génération de deuxième harmonique (SHG)
- Génération de fréquences de somme (SFG)
- Génération de fréquence différentielle (DFG)
- Conversion descendante paramétrique (PDC)
- Mixage à quatre ondes (FWM)
Différents schémas d'adaptation de phase ont été mis en œuvre pour optimiser ces processus, établissant LNOI comme une plate-forme optique non linéaire hautement polyvalente.
Dispositifs intégrés accordables électro-optiquement
La technologie LNOI a également permis le développement d'une large gamme de dispositifs photoniques accordables actifs et passifs, tels que :
- Modulateurs optiques à grande vitesse
- PIC multifonctionnels reconfigurables
- Peignes de fréquences accordables
- Ressorts micro-optomécaniques
Ces dispositifs exploitent les propriétés EO intrinsèques du niobate de lithium pour obtenir un contrôle précis et rapide des signaux lumineux.
Applications pratiques de la photonique LNOI
Les PIC basés sur LNOI sont désormais adoptés dans un nombre croissant d'applications pratiques, notamment :
- Convertisseurs micro-ondes-optiques
- Capteurs optiques
- Spectromètres sur puce
- Peignes de fréquences optiques
- Systèmes de télécommunication avancés
Ces applications démontrent le potentiel du LNOI pour égaler les performances des composants optiques en vrac, tout en offrant des solutions évolutives et économes en énergie grâce à la fabrication photolithographique.
Défis actuels et orientations futures
Malgré ses progrès prometteurs, la technologie LNOI fait face à plusieurs obstacles techniques :
a) Réduction supplémentaire de la perte optique
La perte actuelle du guide d'ondes (0,01 dB/cm) reste d'un ordre de grandeur supérieur à la limite d'absorption du matériau. Des progrès dans les techniques de découpage ionique et la nanofabrication sont nécessaires pour réduire la rugosité de surface et les défauts liés à l'absorption.
b) Contrôle amélioré de la géométrie du guide d'ondes
L'activation de guides d'ondes inférieurs à 700 nm et d'espaces de couplage inférieurs à 2 μm sans sacrifier la répétabilité ni augmenter la perte de propagation est cruciale pour une densité d'intégration plus élevée.
c) Amélioration de l'efficacité du couplage
Alors que les fibres coniques et les convertisseurs de mode contribuent à atteindre une efficacité de couplage élevée, les revêtements antireflet peuvent atténuer davantage les réflexions de l'interface air-matériau.
d) Développement de composants de polarisation à faible perte
Les dispositifs photoniques insensibles à la polarisation sur LNOI sont essentiels, nécessitant des composants correspondant aux performances des polariseurs en espace libre.
e) Intégration de l'électronique de contrôle
L’intégration efficace de l’électronique de contrôle à grande échelle sans dégrader les performances optiques est une direction de recherche clé.
f) Ingénierie avancée de l'adaptation de phase et de la dispersion
La modélisation fiable des domaines à une résolution submicronique est essentielle pour l'optique non linéaire, mais reste une technologie immature sur la plate-forme LNOI.
g) Indemnisation des défauts de fabrication
Les techniques permettant d’atténuer les déphasages causés par les changements environnementaux ou les variations de fabrication sont essentielles pour un déploiement dans le monde réel.
h) Couplage multi-puces efficace
Il est nécessaire d'aborder le couplage efficace entre plusieurs puces LNOI pour aller au-delà des limites d'intégration d'une seule plaquette.
Intégration monolithique de composants actifs et passifs
L'un des principaux défis des PIC LNOI est l'intégration monolithique rentable de composants actifs et passifs tels que :
- Lasers
- Détecteurs
- Convertisseurs de longueur d'onde non linéaires
- Modulateurs
- Multiplexeurs/Démultiplexeurs
Les stratégies actuelles comprennent :
a) Dopage ionique du LNOI :
Le dopage sélectif des ions actifs dans des régions désignées peut conduire à des sources lumineuses sur puce.
b) Liaison et intégration hétérogène :
Le collage de PIC LNOI passifs préfabriqués avec des couches LNOI dopées ou des lasers III-V offre une voie alternative.
c) Fabrication de plaquettes LNOI hybrides actives/passives :
Une approche innovante consiste à lier des plaquettes LN dopées et non dopées avant le découpage ionique, ce qui donne des plaquettes LNOI avec des régions actives et passives.
Figure 1illustre le concept de PIC hybrides intégrés actifs/passifs, où un seul processus lithographique permet un alignement et une intégration transparents des deux types de composants.
Intégration de photodétecteurs
L'intégration de photodétecteurs dans des PIC basés sur LNOI constitue une autre étape cruciale vers des systèmes pleinement fonctionnels. Deux approches principales sont à l'étude :
a) Intégration hétérogène :
Les nanostructures semi-conductrices peuvent être couplées de manière transitoire aux guides d'ondes LNOI. Cependant, des améliorations en termes d'efficacité de détection et d'évolutivité restent nécessaires.
b) Conversion de longueur d'onde non linéaire :
Les propriétés non linéaires du LN permettent la conversion de fréquence dans les guides d'ondes, permettant l'utilisation de photodétecteurs au silicium standard quelle que soit la longueur d'onde de fonctionnement.
Conclusion
Les progrès rapides de la technologie LNOI rapprochent l'industrie d'une plateforme PIC universelle capable de servir un large éventail d'applications. En relevant les défis existants et en faisant progresser les innovations en matière d'intégration monolithique et de détecteurs, les PIC basés sur LNOI ont le potentiel de révolutionner des domaines tels que les télécommunications, l'information quantique et la détection.
LNOI promet de concrétiser la vision de longue date des PIC évolutifs, en égalant le succès et l'impact des EIC. La poursuite des efforts de R&D, notamment ceux de la Nanjing Photonics Process Platform et de la XiaoyaoTech Design Platform, sera essentielle pour façonner l'avenir de la photonique intégrée et ouvrir de nouvelles perspectives dans tous les domaines technologiques.
Date de publication : 18 juillet 2025