Вовед
Инспирирана од успехот на електронските интегрирани кола (EIC), полето на фотонски интегрирани кола (PIC) еволуира уште од своето основање во 1969 година. Сепак, за разлика од EIC, развојот на универзална платформа способна да поддржува разновидни фотонски апликации останува голем предизвик. Оваа статија ја истражува новата технологија на литиум ниобат на изолатор (LNOI), која брзо стана ветувачко решение за PIC од следната генерација.
Подемот на LNOI технологијата
Литиум ниобатот (LN) одамна е препознаен како клучен материјал за фотонски апликации. Сепак, само со појавата на тенкофилмскиот LNOI и напредните техники на производство е отклучен неговиот целосен потенцијал. Истражувачите успешно демонстрираа гребени брановоди со ултра ниски загуби и микрорезонатори со ултра висок Q на LNOI платформи [1], означувајќи значаен скок во интегрираната фотоника.
Клучни предности на LNOI технологијата
- Ултра-ниска оптичка загуба(до 0,01 dB/cm)
- Висококвалитетни нанофотонски структури
- Поддршка за различни нелинеарни оптички процеси
- Интегрирана електрооптичка (EO) подесливост
Нелинеарни оптички процеси на LNOI
Високо-перформансните нанофотонски структури изработени на платформата LNOI овозможуваат реализација на клучни нелинеарни оптички процеси со извонредна ефикасност и минимална моќност на пумпата. Демонстрираните процеси вклучуваат:
- Втора хармонична генерација (SHG)
- Генерирање на збирна фреквенција (SFG)
- Генерирање на разлика во фреквенцијата (DFG)
- Параметарска конверзија надолу (PDC)
- Четирибраново мешање (FWM)
Различни шеми за фазно споредување се имплементирани за оптимизирање на овие процеси, воспоставувајќи го LNOI како многу разновидна нелинеарна оптичка платформа.
Електро-оптички подесиви интегрирани уреди
Технологијата LNOI, исто така, овозможи развој на широк спектар на активни и пасивни подесливи фотонски уреди, како што се:
- Оптички модулатори со голема брзина
- Реконфигурабилни мултифункционални PIC-а
- Чешли за подесување на фреквенција
- Микро-оптомеханички пружини
Овие уреди ги користат внатрешните EO својства на литиум ниобатот за да постигнат прецизна, брза контрола на светлосните сигнали.
Практични примени на LNOI фотониката
PIC-овите базирани на LNOI сега се применуваат во сè поголем број практични апликации, вклучувајќи:
- Конвертори од микробранови во оптички
- Оптички сензори
- Спектрометри на чип
- Оптички фреквентни чешли
- Напредни телекомуникациски системи
Овие апликации го демонстрираат потенцијалот на LNOI да се спореди со перформансите на компонентите со булку-оптика, а воедно да понуди скалабилни, енергетски ефикасни решенија преку фотолитографско производство.
Тековни предизвици и идни насоки
И покрај ветувачкиот напредок, LNOI технологијата се соочува со неколку технички пречки:
а) Понатамошно намалување на оптичката загуба
Губењето на струјата на брановодот (0,01 dB/cm) е сè уште многу поголемо од границата на апсорпција на материјалот. Потребни се напредоци во техниките за јонско сечење и нанофабрикацијата за да се намали грубоста на површината и дефектите поврзани со апсорпцијата.
б) Подобрена контрола на геометријата на брановодот
Овозможувањето на брановоди под 700 nm и споеви под 2 μm без жртвување на повторувањето или зголемување на загубата на пропагација е клучно за поголема густина на интеграција.
в) Зголемување на ефикасноста на спојката
Додека конусните влакна и конверторите на режими помагаат да се постигне висока ефикасност на спојување, антирефлексните премази можат дополнително да ги ублажат рефлексиите на интерфејсот воздух-материјал.
г) Развој на компоненти за поларизација со ниски загуби
Фотонските уреди неосетливи на поларизација на LNOI се од суштинско значење, бидејќи бараат компоненти што одговараат на перформансите на поларизаторите во слободен простор.
e) Интеграција на контролна електроника
Ефикасното интегрирање на голема контролна електроника без намалување на оптичките перформанси е клучна истражувачка насока.
f) Напредно фазно споредување и дисперзиско инженерство
Сигурното обликување на доменот при субмикронска резолуција е од витално значење за нелинеарната оптика, но останува незрела технологија на LNOI платформата.
g) Надомест за дефекти во изработката
Техниките за ублажување на фазните поместувања предизвикани од промени во животната средина или варијации во производството се од суштинско значење за имплементација во реалниот свет.
ж) Ефикасно спојување со повеќе чипови
Справувањето со ефикасното поврзување помеѓу повеќе LNOI чипови е неопходно за да се надмине ограничувањето на интеграцијата на еден плофл.
Монолитна интеграција на активни и пасивни компоненти
Клучен предизвик за LNOI PICs е економичната монолитна интеграција на активни и пасивни компоненти како што се:
- Ласери
- Детектори
- Нелинеарни конвертори на бранови должини
- Модулатори
- Мултиплексери/Демултиплексери
Тековните стратегии вклучуваат:
а) Јонско допирање на LNOI:
Селективното допирање на активни јони во одредени региони може да доведе до извори на светлина на чипот.
б) Врзување и хетерогена интеграција:
Врзувањето на претходно изработени пасивни LNOI PIC со допирани LNOI слоеви или III-V ласери обезбедува алтернативен пат.
в) Изработка на хибридна активна/пасивна LNOI плочка:
Иновативен пристап вклучува поврзување на допирани и недопрени LN плочки пред јонско сечење, што резултира со LNOI плочки со активни и пасивни региони.
Слика 1го илустрира концептот на хибридни интегрирани активни/пасивни PIC-ови, каде што еден литографски процес овозможува непречено усогласување и интеграција на двата типа компоненти.
Интеграција на фотодетектори
Интегрирањето на фотодетектори во PIC-ови базирани на LNOI е уште еден клучен чекор кон целосно функционални системи. Два основни пристапа се во фаза на истражување:
а) Хетерогена интеграција:
Полупроводничките наноструктури можат транзиентно да се поврзат со LNOI брановоди. Сепак, сè уште се потребни подобрувања во ефикасноста на детекцијата и скалабилноста.
б) Нелинеарна конверзија на бранови должини:
Нелинеарните својства на LN овозможуваат конверзија на фреквенција во рамките на брановодите, овозможувајќи употреба на стандардни силиконски фотодетектори без оглед на работната бранова должина.
Заклучок
Брзиот напредок на LNOI технологијата ја доближува индустријата до универзална PIC платформа способна да опслужува широк спектар на апликации. Со справување со постојните предизвици и поттикнување на иновации во монолитната и детекторската интеграција, PIC-ите базирани на LNOI имаат потенцијал да револуционизираат области како што се телекомуникациите, квантните информации и сензорите.
LNOI ветува исполнување на долгогодишната визија за скалабилни PIC, совпаѓајќи го успехот и влијанието на EIC. Континуираните напори за истражување и развој - како оние од Нанџингската фотонична процесна платформа и XiaoyaoTech дизајнерската платформа - ќе бидат клучни во обликувањето на иднината на интегрираната фотоника и отклучувањето на нови можности низ технолошките домени.
Време на објавување: 18 јули 2025 година