Les plaquettes de niobate de lithium sur isolant (LNOI) à couche mince sont des substrats spécialement conçus pour les dispositifs photoniques et électro-optiques intégrés.
La plateforme se compose d'un film mince de niobate de lithium monocristallin lié à une couche d'oxyde enterrée (SiO₂), le tout supporté par une plaquette de silicium ou une plaquette isolante.
Cette structure permet un confinement optique élevé, une perte de propagation réduite et un rendement électro-optique élevé, ce qui en fait l'une des plateformes matérielles les plus importantes pour la photonique intégrée moderne.
Concept du niobate de lithium en couche mince (TFLN)
Le niobate de lithium en couche mince (TFLN) désigne une couche cristalline de LiNbO₃ d'épaisseur inférieure au micron, conçue pour les guides d'ondes optiques à fort confinement et la modulation électro-optique.
Par rapport au niobate de lithium en vrac, le TFLN offre :
- Un confinement optique plus efficace
- Meilleur rendement de modulation
- Encombrement réduit
- Compatibilité avec l'intégration photonique sur silicium
La technologie TFLN est mise en œuvre sur des plaquettes LNOI afin de permettre l'intégration photonique à l'échelle de la plaquette.
Architecture de la plaquette
| Couche | Matériau | Rôle fonctionnel |
|---|---|---|
| Couche matérielle | Couche mince de LiNbO₃ (TFLN) | Modulation électro-optique, optique non linéaire |
| Couche isolante | SiO₂ (oxyde enterré) | Isolation optique et confinement modal |
| Plaquette de poignée | Silicium / Quartz / Saphir | Compatibilité mécanique et compatibilité des procédés |
Caractéristiques principales
Perte de propagation optique ultra-faible < 0,05 dB/cm à la longueur d'onde de télécommunication (1 550 nm)
Coefficient électro-optique élevé (r₃₃ pouvant atteindre 90 pm/V)
Compatibilité avec les guides d'ondes submicroniques pour l'intégration photonique compacte
Intégration compatible CMOS avec des plateformes en silicium et en nitrure de silicium
Grande stabilité thermique avec une température de Curie d'environ 1 140 °C
Plusieurs orientations cristallines disponibles : coupe X, coupe Y, coupe Z
Tailles de plaquettes adaptables de 3 à 8 pouces
Spécifications techniques
Paramètres au niveau de la plaquette
| Paramètres | Spécifications |
|---|---|
| Diamètre de la plaquette | 3 pouces, 4 pouces, 6 pouces, 8 pouces |
| Épaisseur | 525 ± 25 μm |
| Arc | ±50 μm |
| Distorsion | < 50 μm |
| Variation locale d'épaisseur (LTV) | < 1,5 μm (5 × 5 mm², 95%) |
Couche mince de LiNbO₃
| Paramètres | Spécifications |
|---|---|
| Matériau | LiNbO₃ monocristallin |
| Plage d'épaisseurs | 300 nm – 1 000 nm |
| Précision de l'orientation | ±0,5° |
| Rugosité de surface | Ra < 1 nm |
| Critères de défaut | Pas de vides > 1 mm |
Couche d'oxyde enterrée
| Paramètres | Spécifications |
|---|---|
| Matériau | SiO₂ |
| Épaisseur | 100 nm – 2 μm (personnalisable) |
| Uniformité | ±5% |
Technologie de fabrication
Les plaquettes LNOI sont fabriquées à l'aide de procédés compatibles avec les semi-conducteurs :
- Implantation ionique contrôlée pour la définition de couches cristallines
- Collage de plaquettes sur des substrats isolants
- Recuit thermique pour la restauration de la qualité cristalline
- Polissage mécano-chimique (CMP) pour la planarisation de surface
- Contrôle métrologique pour l'assurance qualité optique et structurelle
Domaines d'application
Systèmes de communication optique intégrés comprenant des modulateurs à haut débit pour la transmission de 100G à 800G
Systèmes photoniques quantiques pour la génération de photons intriqués et le traitement de l'information quantique
La photonique micro-ondes pour le traitement des signaux RF et les systèmes photoniques à ondes millimétriques
Dispositifs optiques non linéaires, notamment pour la conversion de fréquence et la génération de peignes de fréquences optiques
Systèmes de détection optique intégrés pour la surveillance biochimique et environnementale
Comparaison des performances
| Propriété | LiNbO₃ en vrac | Plateforme à couche mince LNOI |
|---|---|---|
| Perte optique | Plus élevé | < 0,05 dB/cm |
| Encombrement de l'appareil | Grand | À l'échelle submicronique |
| Capacité d'intégration | Limitée | Intégration photonique à haute densité |
| Compatibilité CMOS | Non | Oui |
| Rendement de modulation | Modéré | Élevée (tension de crête d'environ 1 V possible) |
Options d'ingénierie sur mesure
Orientation cristalline sélectionnable parmi les configurations de coupe X, Y et Z
Épaisseur de la couche mince comprise entre 300 nm et 1 000 nm
Épaisseur de l'oxyde enterré réglable pour le réglage du confinement optique
Les options de substrat comprennent le silicium, le quartz et le saphir
Dopage facultatif au MgO pour améliorer le seuil de dommage optique
Assurance qualité et métrologie
Chaque plaquette est soumise à un contrôle rigoureux de qualité semi-conductrice :
Mesure des pertes optiques dans les bandes de longueurs d'onde des télécommunications
Microscopie à force atomique pour l'évaluation de la rugosité de surface
Inspection par infrarouge pour vérifier l'intégrité de l'interface de collage
Cartographie de l'épaisseur et de l'uniformité sur l'ensemble de la plaquette
Analyse de la planéité des plaquettes et de la répartition des contraintes
Compétences en ingénierie et en fabrication
ZMSH propose des solutions d'ingénierie complètes pour les plaquettes LNOI, notamment la conception des matériaux, le développement de procédés de collage de plaquettes, l'accompagnement dans la fabrication de dispositifs photoniques, les procédés de nanofabrication (EBL, IBE) et les services de caractérisation optique.
Les capacités de production permettent à la fois le prototypage à l'échelle de la R&D et la fabrication de lots de petite et moyenne taille, avec une production stable en 6 pouces et le développement continu de plateformes LNOI en 8 pouces.
Questions fréquemment posées
1. À quoi sert le niobate de lithium en couche mince ?
Il est utilisé en photonique intégrée, en télécommunications optiques, en photonique quantique et dans les dispositifs optiques non linéaires.
2. Quelle est l'épaisseur habituelle d'un film mince de niobate de lithium ?
L'épaisseur du film varie généralement entre 300 nm et 1 000 nm, en fonction des spécifications du dispositif.
3. Quels sont les avantages du LNOI par rapport au niobate de lithium en vrac ?
La technologie LNOI permet de réduire les pertes optiques, d'augmenter la densité d'intégration et d'assurer la compatibilité avec les plateformes de photonique sur silicium.
4. La technologie LNOI est-elle compatible avec la photonique sur silicium ?
Oui, la technologie LNOI peut être intégrée à des plateformes photoniques en silicium et en nitrure de silicium.
Avis
Il n’y a pas encore d’avis.