Les plaquettes de niobate de lithium sur isolant (LNOI) à couche mince constituent des substrats photoniques de pointe utilisés dans les systèmes optiques intégrés, les systèmes photoniques hyperfréquences et les systèmes quantiques.
La structure se compose d'un film mince de niobate de lithium monocristallin lié à une couche isolante de SiO₂ et reposant sur un substrat de silicium.
Cette configuration offre un confinement optique élevé, des pertes de propagation extrêmement faibles et un rendement électro-optique élevé, ce qui en fait une plateforme essentielle pour la photonique intégrée.
Qu'est-ce que le 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 des applications dans le domaine des guides d'ondes optiques et de l'électro-optique.
Par rapport au niobate de lithium massif, le TFLN permet un confinement optique plus étroit, un encombrement réduit et une densité d'intégration plus élevée.
Le TFLN est généralement mis en œuvre sur des plaquettes LNOI afin de former une plateforme photonique intégrée complète.
Caractéristiques principales
- Perte optique ultra-faible < 0,05 dB/cm à 1 550 nm
- Coefficient électro-optique élevé (r₃₃ pouvant atteindre 90 pm/V)
- Compatibilité avec les guides d'ondes submicroniques (< 1 μm)
- Intégration compatible CMOS avec des plateformes Si / SiN
- Grande stabilité thermique (température de Curie d'environ 1 140 °C)
- Différentes tailles de cristal : X-cut / Y-cut / Z-cut
- Dimensions des plaquettes : 3 pouces / 4 pouces / 6 pouces / 8 pouces
Structure de la plaquette
| Couche | Matériau | Fonction |
|---|---|---|
| Couche supérieure | Couche mince de LiNbO₃ (TFLN) | Fonctionnalités électro-optiques et optiques non linéaires |
| Couche intermédiaire | SiO₂ (oxyde enterré) | Isolation et confinement optiques |
| Couche inférieure | Silicium / Quartz / Saphir | Prise en charge mécanique et compatibilité CMOS |
Spécifications techniques
Caractéristiques techniques des plaquettes
| Paramètres | Valeur |
|---|---|
| Diamètre de la plaquette | 3 pouces, 4 pouces, 6 pouces, 8 pouces |
| Épaisseur totale | 525 ± 25 μm |
| Arc | ±50 μm |
| Distorsion | < 50 μm |
| LTV | < 1,5 μm (5 × 5 mm², 95%) |
Couche mince de niobate de lithium
| Paramètres | Valeur |
|---|---|
| Matériau | LiNbO₃ monocristallin |
| Épaisseur | 300 nm – 1 000 nm |
| Précision de l'orientation | ±0,5° |
| Rugosité de surface | Ra < 1 nm |
| Défauts d'adhérence | Aucun défaut > 1 mm |
Couche d'oxyde enterrée (SiO₂)
| Paramètres | Valeur |
|---|---|
| Matériau | SiO₂ |
| Épaisseur | 100 nm – 2 μm (personnalisable) |
| Uniformité | ±5% |
Procédé de fabrication
Les plaquettes LNOI sont fabriquées selon des procédés de qualité semi-conductrice :
- Implantation ionique pour la séparation contrôlée de couches
- Collage de plaquettes sur des substrats isolants
- Recuit à haute température pour la stabilisation cristalline
- Polissage mécano-chimique (CMP) pour la planarisation de surface
- Contrôle final de la qualité optique et structurelle
Principales applications
- Communication optique à haut débit (modulateurs 100G–800G)
- Photonique quantique (génération de photons intriqués, systèmes de distribution quantique de clés)
- Photonique micro-ondes (traitement des signaux RF, systèmes à ondes millimétriques)
- Optique non linéaire (conversion de fréquence, peignes optiques)
- Systèmes de détection intégrés (résonateurs biochimiques et optiques)
Avantages en termes de performances par rapport au LiNbO₃ en vrac
| Propriété | LiNbO₃ en vrac | LNOI à couche mince |
|---|---|---|
| Perte optique | Plus élevé | < 0,05 dB/cm |
| Intégration | Faible | Photonique à haute densité |
| Dimensions de l'appareil | Grand | À l'échelle submicronique |
| Compatibilité CMOS | Non | Oui |
| Rendement de modulation | Modéré | Élevé (tension de sortie pouvant atteindre environ 1 V) |
Options de personnalisation
| Option | Description |
|---|---|
| Taille en cristal | Coupe en X / Coupe en Y / Coupe en Z |
| Épaisseur du film | 300 nm – 1 000 nm |
| Substrat | Silicium / Quartz / Saphir |
| Couche d'oxyde | 100 nm – 2 μm (sur mesure) |
| Dopage | LiNbO₃ dopé au MgO disponible |
Contrôle de la qualité
| Élément de test | Méthode |
|---|---|
| Perte optique | Essai de propagation dans un guide d'ondes |
| Rugosité de surface | Mesure par microscopie à force atomique |
| Uniformité de l'épaisseur | Système de cartographie |
| Qualité du collage | Inspection par infrarouge |
| Planéité | Métrologie des plaquettes |
Compétences en ingénierie
ZMSH offre un accompagnement complet tout au long du processus de développement des plaquettes LNOI :
- Optimisation de la conception des couches minces
- Ingénierie des procédés de soudage de plaquettes
- Assistance à la fabrication de dispositifs photoniques
- Nanofabrication (EBL / IBE)
- Essais et validation des performances optiques
Convient aussi bien au prototypage en R&D qu'à la production en petites séries évolutive, jusqu'à des plaquettes de 8 pouces.
FAQ
À quoi sert le LNOI ?
Les plaquettes LNOI sont largement utilisées dans les domaines de la communication optique, de la photonique quantique, de l'optique non linéaire et des circuits photoniques intégrés.
Quelle est l'épaisseur habituelle d'un film mince ?
L'épaisseur typique d'un film mince de niobate de lithium varie entre 300 nm et 1 000 nm.
Pourquoi utiliser du LNOI plutôt que du niobate de lithium en vrac ?
La technologie LNOI offre une perte optique réduite, une densité d'intégration plus élevée et une intégration photonique compatible avec les circuits CMOS.
La technologie LNOI peut-elle s'intégrer à la photonique sur silicium ?
Oui, la technologie LNOI est entièrement compatible avec les plateformes photoniques en silicium et en nitrure de silicium.
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