Introduction
Inspiré par le succès des circuits intégrés électroniques (EIC), le domaine des circuits intégrés photoniques (PIC) n'a cessé d'évoluer depuis sa création en 1969. Cependant, contrairement aux EIC, le développement d'une plateforme universelle capable de prendre en charge diverses applications photoniques demeure un défi majeur. Cet article explore la technologie émergente du niobate de lithium sur isolant (LNOI), qui s'est rapidement imposée comme une solution prometteuse pour les PIC 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 couches minces de LNOI et des techniques de fabrication avancées que son plein potentiel a été révélé. Des chercheurs ont démontré avec succès la réalisation de guides d'ondes à crête à très faibles pertes et de microrésonateurs à facteur de qualité très élevé sur des plateformes LNOI [1], marquant ainsi une avancée significative dans le domaine de 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 procédés 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 processus optiques non linéaires clés avec une efficacité remarquable et une puissance de pompage minimale. Parmi les processus démontrés, on peut citer :
- Génération de seconde harmonique (SHG)
- Génération de fréquence somme (SFG)
- Génération de fréquence de différence (DFG)
- Conversion paramétrique descendante (PDC)
- Mélange à quatre ondes (FWM)
Diverses techniques d'accord de phase ont été mises en œuvre pour optimiser ces processus, faisant de LNOI une plateforme optique non linéaire extrêmement polyvalente.
Dispositifs intégrés à accord électro-optique
La technologie LNOI a également permis le développement d'une large gamme de dispositifs photoniques accordables actifs et passifs, tels que :
- Modulateurs optiques à haute vitesse
- PIC multifonctionnels reconfigurables
- Peignes de fréquences accordables
- Ressorts micro-optomécaniques
Ces dispositifs exploitent les propriétés électro-optiques intrinsèques du niobate de lithium pour obtenir un contrôle précis et rapide des signaux lumineux.
Applications pratiques de la photonique LNOI
Les circuits intégrés photoniques (PIC) basés sur les 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 télécommunications avancés
Ces applications démontrent le potentiel de la technologie LNOI pour égaler les performances des composants optiques classiques, 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 se heurte à plusieurs obstacles techniques :
a) Réduction supplémentaire des pertes optiques
Les pertes actuelles des guides d'ondes (0,01 dB/cm) restent un ordre de grandeur supérieur à la limite d'absorption du matériau. Des progrès dans les techniques de découpe ionique et de 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
Il est crucial, pour une densité d'intégration plus élevée, de permettre la réalisation de guides d'ondes inférieurs à 700 nm et d'espaces de couplage inférieurs à 2 μm sans sacrifier la répétabilité ni augmenter les pertes de propagation.
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 antireflets peuvent atténuer davantage les réflexions à l'interface air-matériau.
d) Développement de composants de polarisation à faibles pertes
Les dispositifs photoniques insensibles à la polarisation sur LNOI sont essentiels et nécessitent des composants dont les performances correspondent à celles des polariseurs en espace libre.
e) Intégration de l'électronique de commande
L'intégration efficace de l'électronique de contrôle à grande échelle sans dégrader les performances optiques constitue une orientation de recherche clé.
f) Ingénierie avancée de l'adaptation de phase et de la dispersion
La structuration fiable des domaines à une résolution submicronique est essentielle pour l'optique non linéaire, mais reste une technologie immature sur la plateforme LNOI.
g) Indemnisation des défauts de fabrication
Les techniques permettant d'atténuer les déphasages causés par des changements environnementaux ou des variations de fabrication sont essentielles pour un déploiement dans le monde réel.
h) Couplage multi-puces efficace
Il est nécessaire d'assurer un couplage efficace entre plusieurs puces LNOI pour dépasser les limites d'intégration sur une seule plaquette.
Intégration monolithique des composants actifs et passifs
L'un des principaux défis des circuits intégrés photoniques à faible interférence (LNOI) réside dans 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 d'ions actifs dans des régions désignées peut conduire à des sources lumineuses intégrées.
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 de 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 circuits intégrés photoniques hybrides actifs/passifs, où un seul processus lithographique permet un alignement et une intégration sans faille des deux types de composants.
Intégration des photodétecteurs
L'intégration de photodétecteurs dans les circuits intégrés photoniques (PIC) à base de LNOI constitue une autre étape cruciale vers des systèmes pleinement fonctionnels. Deux approches principales sont actuellement à l'étude :
a) Intégration hétérogène :
Les nanostructures semi-conductrices peuvent être couplées de manière transitoire aux guides d'ondes LNOI. Toutefois, des améliorations en matière d'efficacité de détection et d'extensibilité restent nécessaires.
b) Conversion non linéaire de longueur d'onde :
Les propriétés non linéaires du LN permettent la conversion de fréquence au sein des guides d'ondes, permettant ainsi l'utilisation de photodétecteurs en 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 répondre à un large éventail d'applications. En relevant les défis actuels et en stimulant l'innovation dans l'intégration monolithique et de détecteurs, les PIC basés sur la technologie 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 circuits intégrés photoniques évolutifs, à la hauteur du succès et de l'impact des circuits intégrés électroniques. La poursuite des efforts de R&D, notamment ceux de la plateforme de procédés photoniques de Nanjing et de la plateforme de conception XiaoyaoTech, 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