Ievads
Iedvesmojoties no elektronisko integrēto shēmu (EIC) panākumiem, fotonisko integrēto shēmu (PIC) joma ir attīstījusies kopš tās pirmsākumiem 1969. gadā. Tomēr atšķirībā no EIC, universālas platformas, kas spēj atbalstīt dažādas fotoniskās lietojumprogrammas, izstrāde joprojām ir liels izaicinājums. Šajā rakstā tiek pētīta jaunā litija niobāta uz izolatora (LNOI) tehnoloģija, kas ir strauji kļuvusi par daudzsološu risinājumu nākamās paaudzes PIC.
LNOI tehnoloģijas uzplaukums
Litija niobāts (LN) jau sen ir atzīts par galveno materiālu fotonikas pielietojumiem. Tomēr tikai līdz ar plānplēves LNOI un progresīvu ražošanas metožu parādīšanos tā pilnais potenciāls ir atklāts. Pētnieki ir veiksmīgi demonstrējuši īpaši zemu zudumu kores viļņvadus un īpaši augstas Q mikrorezonatorus uz LNOI platformām [1], iezīmējot ievērojamu lēcienu integrētajā fotonikā.
LNOI tehnoloģijas galvenās priekšrocības
- Īpaši zemi optiskie zudumi(tik zema kā 0,01 dB/cm)
- Augstas kvalitātes nanofotoniskās struktūras
- Atbalsts dažādiem nelineāriem optiskajiem procesiem
- Integrēta elektrooptiskā (EO) regulēšanas iespēja
Nelineārie optiskie procesi uz LNOI
Uz LNOI platformas izgatavotās augstas veiktspējas nanofotoniskās struktūras ļauj realizēt galvenos nelineāros optiskos procesus ar ievērojamu efektivitāti un minimālu sūknēšanas jaudu. Demonstrētie procesi ietver:
- Otrā harmoniskā paaudze (SHG)
- Summas frekvences ģenerēšana (SFG)
- Diferenciālās frekvences ģenerēšana (DFG)
- Parametriskā lejupvērstā konversija (PDC)
- Četru viļņu miksēšana (FWM)
Lai optimizētu šos procesus, ir ieviestas dažādas fāžu saskaņošanas shēmas, izveidojot LNOI kā ļoti daudzpusīgu nelineāru optisko platformu.
Elektrooptiski regulējamas integrētas ierīces
LNOI tehnoloģija ir ļāvusi izstrādāt arī plašu aktīvo un pasīvo regulējamo fotonisko ierīču klāstu, piemēram:
- Ātrgaitas optiskie modulatori
- Pārkonfigurējamas daudzfunkcionālas PIC mikroshēmas
- Noskaņojamas frekvences ķemmes
- Mikrooptomehāniskās atsperes
Šīs ierīces izmanto litija niobāta raksturīgās EO īpašības, lai panāktu precīzu un ātrdarbīgu gaismas signālu kontroli.
LNOI fotonikas praktiskie pielietojumi
Uz LNOI balstīti PIC tagad tiek izmantoti arvien vairāk praktiskos pielietojumos, tostarp:
- Mikroviļņu-optisko pārveidotāju
- Optiskie sensori
- Mikroshēmas spektrometri
- Optiskās frekvences ķemmes
- Uzlabotas telekomunikāciju sistēmas
Šie pielietojumi demonstrē LNOI potenciālu saskaņot lielapjoma optisko komponentu veiktspēju, vienlaikus piedāvājot mērogojamus, energoefektīvus risinājumus, izmantojot fotolitogrāfisko izgatavošanu.
Pašreizējie izaicinājumi un nākotnes virzieni
Neskatoties uz daudzsološo progresu, LNOI tehnoloģija saskaras ar vairākiem tehniskiem šķēršļiem:
a) Optisko zudumu turpmāka samazināšana
Strāvas viļņvada zudumi (0,01 dB/cm) joprojām ir par kārtu lielāki nekā materiāla absorbcijas robeža. Lai samazinātu virsmas raupjumu un ar absorbciju saistītos defektus, ir nepieciešami uzlabojumi jonu sagriešanas metodēs un nanofabricācijā.
b) Uzlabota viļņvada ģeometrijas kontrole
Lai panāktu lielāku integrācijas blīvumu, ir ļoti svarīgi nodrošināt viļņvadus, kuru diametrs ir zem 700 nm, un savienojuma spraugas, kuru diametrs ir zem 2 μm, neupurējot atkārtojamību vai nepalielinot izplatīšanās zudumus.
c) Sakabes efektivitātes uzlabošana
Lai gan konusveida šķiedras un režīmu pārveidotāji palīdz sasniegt augstu savienojuma efektivitāti, pretatstarošanās pārklājumi var vēl vairāk mazināt gaisa un materiāla saskarnes atstarošanos.
d) Zemu zudumu polarizācijas komponentu izstrāde
LNOI ir būtiskas polarizācijas nejutīgas fotoniskās ierīces, kurām nepieciešamas sastāvdaļas, kas atbilst brīvas telpas polarizatoru veiktspējai.
e) Vadības elektronikas integrācija
Galvenais pētniecības virziens ir liela mēroga vadības elektronikas efektīva integrēšana, nemazinot optisko veiktspēju.
f) Uzlabota fāžu saskaņošanas un dispersijas inženierija
Uzticama domēnu modelēšana ar submikronu izšķirtspēju ir vitāli svarīga nelineārajai optikai, taču LNOI platformā tā joprojām ir nenobriedusi tehnoloģija.
g) Kompensācija par ražošanas defektiem
Metodes, kas mazina fāžu nobīdes, ko izraisa vides izmaiņas vai ražošanas atšķirības, ir būtiskas reālai ieviešanai.
h) Efektīva vairāku mikroshēmu savienošana
Efektīvas savienošanas risināšana starp vairākām LNOI mikroshēmām ir nepieciešama, lai mērogotu ārpus vienas vafeles integrācijas robežām.
Aktīvo un pasīvo komponentu monolīta integrācija
LNOI PIC galvenais izaicinājums ir aktīvo un pasīvo komponentu, piemēram:, rentabla monolīta integrācija.
- Lāzeri
- Detektori
- Nelineārie viļņu garuma pārveidotāji
- Modulatori
- Multipleksori/demultipleksori
Pašreizējās stratēģijas ietver:
a) LNOI jonu dopings:
Aktīvo jonu selektīva dopingēšana noteiktos reģionos var radīt gaismas avotus mikroshēmā.
b) Saistīšana un heterogēna integrācija:
Alternatīvs ceļš ir iepriekš izgatavotu pasīvo LNOI PIC savienošana ar leģētiem LNOI slāņiem vai III-V lāzeriem.
c) Hibrīda aktīvās/pasīvās LNOI plātnes izgatavošana:
Inovatīva pieeja ietver leģētu un neleģētu LN plākšņu savienošanu pirms jonu griešanas, kā rezultātā LNOI plāksnēs ir gan aktīvi, gan pasīvi apgabali.
1. attēlsilustrē hibrīdintegrētu aktīvo/pasīvo PIC koncepciju, kur viens litogrāfiskais process nodrošina abu veidu komponentu nemanāmu izlīdzināšanu un integrāciju.
Fotodetektoru integrācija
Fotodetektoru integrēšana LNOI balstītos PIC ir vēl viens svarīgs solis ceļā uz pilnībā funkcionējošām sistēmām. Tiek pētītas divas galvenās pieejas:
a) Heterogēna integrācija:
Pusvadītāju nanostruktūras var īslaicīgi savienot ar LNOI viļņvadiem. Tomēr joprojām ir nepieciešami uzlabojumi detektēšanas efektivitātei un mērogojamībai.
b) Nelineāra viļņa garuma konvertēšana:
LN nelineārās īpašības ļauj veikt frekvences pārveidošanu viļņvados, ļaujot izmantot standarta silīcija fotodetektorus neatkarīgi no darbības viļņa garuma.
Secinājums
LNOI tehnoloģijas straujā attīstība tuvina nozari universālai PIC platformai, kas spēj apkalpot plašu pielietojumu klāstu. Risinot esošās problēmas un virzot uz priekšu inovācijas monolītajā un detektoru integrācijā, uz LNOI balstītiem PIC ir potenciāls revolucionizēt tādas jomas kā telekomunikācijas, kvantu informācija un sensori.
LNOI sola īstenot ilgstoši loloto vīziju par mērogojamiem PIC, kas atbilstu EIC panākumiem un ietekmei. Pastāvīgie pētniecības un attīstības centieni, piemēram, no Naņdzjinas fotonikas procesu platformas un XiaoyaoTech dizaina platformas, būs izšķiroši integrētās fotonikas nākotnes veidošanā un jaunu iespēju atklāšanā dažādās tehnoloģiju jomās.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 18. jūlijs