As pastilhas de niobato de lítio em isolante (LNOI) de película fina são substratos fotónicos avançados utilizados em sistemas óticos integrados, fotónica de micro-ondas e sistemas quânticos.
A estrutura é constituída por uma película fina de niobato de lítio monocristalino fixada sobre uma camada isolante de SiO₂ e suportada por um substrato de silício.
Esta configuração proporciona um forte confinamento ótico, uma perda de propagação ultrabaixa e uma elevada eficiência eletro-óptica, tornando-a uma plataforma fundamental para a fotónica integrada.
O que é o niobato de lítio em película fina (TFLN)
O niobato de lítio em película fina (TFLN) refere-se a uma camada cristalina de LiNbO₃ com espessura submicrométrica, concebida para aplicações em guias de onda óticos e eletro-ópticas.
Em comparação com o niobato de lítio em massa, o TFLN permite um confinamento ótico mais rigoroso, um tamanho reduzido do dispositivo e uma maior densidade de integração.
O TFLN é normalmente implementado em pastilhas LNOI para formar uma plataforma fotónica integrada completa.
Caraterísticas principais
- Perda ótica ultrabaixa < 0,05 dB/cm a 1550 nm
- Elevado coeficiente eletro-óptico (r₃₃ até 90 pm/V)
- Compatibilidade com guias de onda submicrométricos (<1 μm)
- Integração compatível com CMOS com plataformas de Si / SiN
- Elevada estabilidade térmica (temperatura de Curie de ~1140 °C)
- Vários tipos de lapidação: lapidação em X / lapidação em Y / lapidação em Z
- Tamanhos das pastilhas: 3 polegadas / 4 polegadas / 6 polegadas / 8 polegadas
Estrutura da pastilha
| Camada | Material | Função |
|---|---|---|
| Camada superior | Película fina de LiNbO₃ (TFLN) | Funcionalidade eletro-óptica e óptica não linear |
| Camada intermédia | SiO₂ (óxido enterrado) | Isolamento e confinamento ópticos |
| Camada inferior | Sí / Quartzo / Safira | Suporte mecânico e compatibilidade com CMOS |
Especificações técnicas
Especificações da pastilha
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Diâmetro da pastilha | 3″, 4″, 6″, 8″ |
| Espessura total | 525 ± 25 μm |
| Arco | ±50 μm |
| Deformar | <50 μm |
| LTV | <1,5 μm (5×5 mm², 95%) |
Camada de niobato de lítio de película fina
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Material | LiNbO₃ monocristalino |
| Espessura | 300 nm – 1000 nm |
| Precisão de orientação | ±0,5° |
| Rugosidade da superfície | Ra < 1 nm |
| Defeitos de aderência | Sem defeitos >1 mm |
Camada de óxido enterrada (SiO₂)
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Material | SiO₂ |
| Espessura | 100 nm – 2 μm (personalizável) |
| Uniformidade | ±5% |
Processo de fabrico
As pastilhas LNOI são fabricadas utilizando processos próprios da indústria de semicondutores:
- Implantação de iões para a separação controlada de camadas
- Ligação de pastilhas a substratos isolantes
- Recozimento a alta temperatura para estabilização do cristal
- Polimento químico-mecânico (CMP) para planarização de superfícies
- Inspeção final da qualidade ótica e estrutural
Principais aplicações
- Comunicação ótica de alta velocidade (moduladores de 100G–800G)
- Fotónica quântica (geração de fotões entrelaçados, sistemas QKD)
- Fotónica de micro-ondas (processamento de sinais de RF, sistemas de ondas milimétricas)
- Ótica não linear (conversão de frequência, pentes ópticos)
- Sistemas de deteção integrados (ressonadores bioquímicos e óticos)
Vantagens de desempenho em comparação com o LiNbO₃ a granel
| Imóveis | LiNbO₃ a granel | LNOI de camada fina |
|---|---|---|
| Perda ótica | Mais alto | <0,05 dB/cm |
| Integração | Baixa | Fotónica de alta densidade |
| Tamanho do dispositivo | Grande | Escala submicrométrica |
| Compatibilidade com CMOS | Não | Sim |
| Eficiência de modulação | Moderado | Elevado (Vπ ~1 V possível) |
Opções de personalização
| Opção | Descrição |
|---|---|
| Corte de cristal | Corte em X / Corte em Y / Corte em Z |
| Espessura da película | 300 nm – 1000 nm |
| Substrato | Sí / Quartzo / Safira |
| Camada de óxido | 100 nm – 2 μm (personalizado) |
| Doping | LiNbO₃ dopado com MgO disponível |
Controlo de qualidade
| Item de teste | Método |
|---|---|
| Perda ótica | Teste de propagação em guia de ondas |
| Rugosidade da superfície | Medição por AFM |
| Uniformidade de espessura | Sistema de mapeamento |
| Qualidade da colagem | Inspeção por infravermelhos |
| Planicidade | Metrologia de wafers |
Capacidade de engenharia
ZMSH oferece apoio em todas as fases do processo de desenvolvimento de pastilhas LNOI:
- Otimização do projeto de camadas finas
- Engenharia de processos de ligação de pastilhas
- Apoio à fabricação de dispositivos fotónicos
- Nanofabricação (EBL / IBE)
- Testes e validação do desempenho ótico
Apoia tanto a prototipagem em I&D como a produção em pequenos lotes escaláveis, com wafers de até 8 polegadas.
FAQ
Para que serve o LNOI?
As pastilhas LNOI são amplamente utilizadas nas áreas da comunicação ótica, fotónica quântica, ótica não linear e circuitos fotónicos integrados.
Qual é a espessura típica de uma película fina?
A espessura típica das películas finas de niobato de lítio varia entre 300 nm e 1000 nm.
Por que utilizar LNOI em vez de niobato de lítio a granel
A LNOI oferece menor perda ótica, maior densidade de integração e integração fotónica compatível com CMOS.
A LNOI pode integrar-se com a fotónica de silício?
Sim, o LNOI é totalmente compatível com plataformas fotónicas de silício e nitreto de silício.
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