I wafer a film sottile di niobato di litio su isolante (LNOI) sono substrati fotonici avanzati utilizzati per sistemi ottici integrati, fotonici a microonde e quantistici.
La struttura è costituita da un film sottile di niobato di litio monocristallino incollato su uno strato isolante di SiO₂ e sostenuto da un substrato di silicio.
Questa configurazione garantisce un forte confinamento ottico, perdite di propagazione estremamente ridotte e un'elevata efficienza elettro-ottica, rendendola una piattaforma fondamentale per la fotonica integrata.
Che cos'è il niobato di litio a film sottile (TFLN)
Il niobato di litio a film sottile (TFLN) è uno strato cristallino di LiNbO₃ di spessore inferiore al micron, progettato per applicazioni nel campo delle guide d'onda ottiche e dell'elettro-ottica.
Rispetto al niobato di litio sfuso, il TFLN consente un confinamento ottico più stretto, un ingombro ridotto del dispositivo e una maggiore densità di integrazione.
Il TFLN viene solitamente implementato su wafer LNOI per formare una piattaforma fotonica integrata completa.
Caratteristiche principali
- Perdita ottica estremamente bassa < 0,05 dB/cm a 1550 nm
- Elevato coefficiente elettro-ottico (r₃₃ fino a 90 pm/V)
- Compatibilità con guide d'onda submicroniche (<1 μm)
- Integrazione compatibile con CMOS con piattaforme Si / SiN
- Elevata stabilità termica (temperatura di Curie di circa 1140 °C)
- Diversi tipi di taglio dei cristalli: taglio X / taglio Y / taglio Z
- Dimensioni dei wafer: 3 pollici / 4 pollici / 6 pollici / 8 pollici
Struttura del wafer
| Livello | Materiale | Funzione |
|---|---|---|
| Livello superiore | Film sottile di LiNbO₃ (TFLN) | Funzionalità elettro-ottica e ottica non lineare |
| Strato intermedio | SiO₂ (ossido sepolto) | Isolamento e confinamento ottico |
| Strato inferiore | Sapphira / Quarzo / Zaffiro | Supporto meccanico e compatibilità CMOS |
Specifiche tecniche
Specifiche dei wafer
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Diametro del wafer | 3", 4", 6", 8" |
| Spessore totale | 525 ± 25 μm |
| Arco | ±50 μm |
| Ordito | <50 μm |
| LTV | <1,5 μm (5×5 mm², 95%) |
Strato sottile di niobato di litio
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Materiale | LiNbO₃ monocristallino |
| Spessore | 300 nm – 1000 nm |
| Precisione di orientamento | ±0,5° |
| Ruvidità della superficie | Ra < 1 nm |
| Difetti di adesione | Nessun difetto >1 mm |
Strato di ossido sepolto (SiO₂)
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Materiale | SiO₂ |
| Spessore | 100 nm – 2 μm (personalizzabile) |
| Uniformità | ±5% |
Processo di fabbricazione
I wafer LNOI vengono prodotti utilizzando processi di livello semiconduttore:
- Impianto ionico per la separazione controllata degli strati
- Incollaggio di wafer su substrati isolanti
- Ricottura ad alta temperatura per la stabilizzazione dei cristalli
- Lucidatura chimico-meccanica (CMP) per la planarizzazione delle superfici
- Controllo finale della qualità ottica e strutturale
Applicazioni principali
- Comunicazione ottica ad alta velocità (modulatori da 100G a 800G)
- Fotonica quantistica (generazione di fotoni intrecciati, sistemi QKD)
- Fotonica a microonde (elaborazione dei segnali RF, sistemi a onde millimetriche)
- Ottica non lineare (conversione di frequenza, pettini ottici)
- Sistemi di rilevamento integrati (risonatori biochimici e ottici)
Vantaggi prestazionali rispetto al LiNbO₃ sfuso
| Proprietà | LiNbO₃ sfuso | LNOI a film sottile |
|---|---|---|
| Perdita ottica | Più alto | <0,05 dB/cm |
| Integrazione | Basso | Fotonica ad alta densità |
| Dimensioni del dispositivo | Grande | Scala submicronica |
| Compatibilità CMOS | No | Sì |
| Efficienza di modulazione | Moderato | Elevata (è possibile raggiungere Vπ ~1 V) |
Opzioni di personalizzazione
| Opzione | Descrizione |
|---|---|
| Taglio a cristallo | Taglio a X / Taglio a Y / Taglio a Z |
| Spessore del film | 300 nm – 1000 nm |
| Substrato | Sapphira / Quarzo / Zaffiro |
| Strato di ossido | 100 nm – 2 μm (su richiesta) |
| Doping | LiNbO₃ drogato con MgO disponibile |
Controllo qualità
| Elemento di prova | Metodo |
|---|---|
| Perdita ottica | Prova di propagazione in guida d'onda |
| Ruvidità della superficie | Misurazione AFM |
| Uniformità dello spessore | Sistema di mappatura |
| Qualità dell'incollaggio | Ispezione a infrarossi |
| Piattezza | Metrologia dei wafer |
Competenze ingegneristiche
ZMSH offre un supporto completo per lo sviluppo dei wafer LNOI:
- Ottimizzazione della progettazione di film sottili
- Ingegneria dei processi di incollaggio dei wafer
- Supporto alla produzione di dispositivi fotonici
- Nanofabbricazione (EBL / IBE)
- Test e verifica delle prestazioni ottiche
Supporta sia la prototipazione in fase di ricerca e sviluppo sia la produzione scalabile in piccoli lotti con wafer fino a 8 pollici.
FAQ
A cosa serve l'LNOI?
I wafer LNOI trovano ampio impiego nelle comunicazioni ottiche, nella fotonica quantistica, nell'ottica non lineare e nei circuiti fotonici integrati.
Qual è lo spessore tipico di un film sottile?
Lo spessore tipico dei film sottili di niobato di litio varia da 300 nm a 1000 nm.
Perché utilizzare l'LNOI invece del niobato di litio sfuso?
LNOI offre una minore perdita ottica, una maggiore densità di integrazione e un'integrazione fotonica compatibile con CMOS.
LNOI può integrarsi con la fotonica su silicio?
Sì, LNOI è pienamente compatibile con le piattaforme fotoniche in silicio e nitruro di silicio.
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