Las obleas de niobato de litio sobre aislante (LNOI) de película fina son sustratos fotónicos avanzados que se utilizan en sistemas ópticos integrados, fotónicos de microondas y cuánticos.
La estructura consiste en una película delgada de niobato de litio monocristalino adherida a una capa aislante de SiO₂ y soportada por un sustrato de silicio.
Esta configuración ofrece un fuerte confinamiento óptico, una pérdida de propagación ultrabaja y una alta eficiencia electroóptica, lo que la convierte en una plataforma clave para la fotónica integrada.
¿Qué es el niobato de litio en capa fina (TFLN)?
El niobato de litio en capa fina (TFLN) es una capa cristalina de LiNbO₃ de menos de una micra, diseñada para aplicaciones en guías de onda ópticas y electroópticas.
En comparación con el niobato de litio macizo, el TFLN permite un confinamiento óptico más preciso, un tamaño de dispositivo más reducido y una mayor densidad de integración.
El TFLN se implementa normalmente en obleas de LNOI para formar una plataforma fotónica integrada completa.
Características principales
- Pérdida óptica ultrabaja < 0,05 dB/cm a 1550 nm
- Alto coeficiente electroóptico (r₃₃ de hasta 90 pm/V)
- Compatibilidad con guías de onda submicrónicas (<1 μm)
- Integración compatible con CMOS con plataformas de Si / SiN
- Alta estabilidad térmica (temperatura de Curie de aproximadamente 1140 °C)
- Varios tipos de tallado de cristal: tallado en X / tallado en Y / tallado en Z
- Tamaños de obleas: 3 pulgadas / 4 pulgadas / 6 pulgadas / 8 pulgadas
Estructura de la oblea
| Capa | Material | Función |
|---|---|---|
| Capa superior | Película delgada de LiNbO₃ (TFLN) | Funcionalidad electroóptica y óptica no lineal |
| Capa intermedia | SiO₂ (óxido enterrado) | Aislamiento y confinamiento ópticos |
| Capa inferior | Acero / Cuarzo / Zafiro | Compatibilidad mecánica y con CMOS |
Especificaciones técnicas
Especificaciones de la oblea
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Diámetro de la oblea | 3″, 4″, 6″, 8″ |
| Espesor total | 525 ± 25 μm |
| Arco | ±50 μm |
| Warp | <50 μm |
| LTV | <1,5 μm (5×5 mm², 95%) |
Capa de niobato de litio de película fina
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Material | LiNbO₃ monocristalino |
| Espesor | 300 nm – 1000 nm |
| Precisión de orientación | ±0,5° |
| Rugosidad superficial | Ra < 1 nm |
| Defectos de adhesión | Sin defectos >1 mm |
Capa de óxido enterrada (SiO₂)
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Material | SiO₂ |
| Espesor | 100 nm – 2 μm (personalizable) |
| Uniformidad | ±5% |
Proceso de fabricación
Las obleas LNOI se fabrican mediante procesos propios de la industria de los semiconductores:
- Implantación iónica para la separación controlada de capas
- Unión de obleas sobre sustratos aislantes
- Recocido a alta temperatura para la estabilización de cristales
- Pulido químico-mecánico (CMP) para la planarización de superficies
- Inspección final de calidad óptica y estructural
Aplicaciones principales
- Comunicación óptica de alta velocidad (moduladores de 100G a 800G)
- Fotónica cuántica (generación de fotones entrelazados, sistemas QKD)
- Fotónica de microondas (procesamiento de señales de radiofrecuencia, sistemas de ondas milimétricas)
- Óptica no lineal (conversión de frecuencia, peines ópticos)
- Sistemas de detección integrados (resonadores bioquímicos y ópticos)
Ventajas de rendimiento frente al LiNbO₃ a granel
| Propiedad | LiNbO₃ a granel | LNOI de capa fina |
|---|---|---|
| Pérdida óptica | Más alto | <0,05 dB/cm |
| Integración | Bajo | Fotónica de alta densidad |
| Tamaño del dispositivo | Grande | Escala submicrométrica |
| Compatibilidad con CMOS | No | Sí |
| Eficiencia de modulación | Moderado | Alto (se puede alcanzar un Vπ de aproximadamente 1 V) |
Opciones de personalización
| Opción | Descripción |
|---|---|
| Corte de cristal | Corte en X / Corte en Y / Corte en Z |
| Espesor de la película | 300 nm – 1000 nm |
| Sustrato | Acero / Cuarzo / Zafiro |
| Capa de óxido | 100 nm – 2 μm (a medida) |
| Dopaje | LiNbO₃ dopado con MgO disponible |
Control de calidad
| Elemento de prueba | Método |
|---|---|
| Pérdida óptica | Prueba de propagación en guía de ondas |
| Rugosidad superficial | Medición por microscopía de fuerza atómica |
| Uniformidad de espesor | Sistema de cartografía |
| Calidad de la unión | Inspección por infrarrojos |
| Planitud | Metrología de obleas |
Capacidad de ingeniería
ZMSH ofrece asistencia integral para el desarrollo de obleas LNOI:
- Optimización del diseño de capas finas
- Ingeniería de procesos de unión de obleas
- Asistencia en la fabricación de dispositivos fotónicos
- Nanofabricación (EBL / IBE)
- Pruebas y validación del rendimiento óptico
Permite tanto la creación de prototipos para I+D como la producción escalable en lotes pequeños con obleas de hasta 8 pulgadas.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Para qué se utiliza el LNOI?
Las obleas de LNOI se utilizan ampliamente en las comunicaciones ópticas, la fotónica cuántica, la óptica no lineal y los circuitos fotónicos integrados.
¿Cuál es el espesor habitual de una película fina?
El espesor típico de las películas finas de niobato de litio oscila entre 300 nm y 1000 nm.
¿Por qué utilizar LNOI en lugar de niobato de litio a granel?
La tecnología LNOI ofrece una menor pérdida óptica, una mayor densidad de integración y una integración fotónica compatible con CMOS.
¿Puede la LNOI integrarse con la fotónica de silicio?
Sí, LNOI es totalmente compatible con plataformas fotónicas de silicio y nitruro de silicio.
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