Bevezetés
Az elektronikus integrált áramkörök (EIC-k) sikere által inspirálva a fotonikus integrált áramkörök (PIC-k) területe 1969-es megjelenése óta folyamatosan fejlődik. Az EIC-kkel ellentétben azonban továbbra is nagy kihívást jelent egy olyan univerzális platform kifejlesztése, amely képes a különféle fotonikus alkalmazásokat támogatni. Ez a cikk a feltörekvő lítium-niobát szigetelőn (LNOI) technológiát vizsgálja, amely gyorsan ígéretes megoldássá vált a következő generációs PIC-k számára.
Az LNOI technológia felemelkedése
A lítium-niobátot (LN) régóta kulcsfontosságú anyagként tartják számon a fotonikus alkalmazásokban. Azonban csak a vékonyrétegű LNOI és a fejlett gyártási technikák megjelenésével bontakozott ki teljes potenciálja. A kutatók sikeresen demonstráltak ultra-alacsony veszteségű gerinc-hullámvezetőket és ultra-nagy Q-értékű mikrorezonátorokat LNOI platformokon [1], ami jelentős ugrást jelent az integrált fotonika területén.
Az LNOI technológia fő előnyei
- Rendkívül alacsony optikai veszteség(akár 0,01 dB/cm-ig)
- Kiváló minőségű nanofotonikus struktúrák
- Különféle nemlineáris optikai folyamatok támogatása
- Integrált elektrooptikai (EO) hangolhatóság
Nemlineáris optikai folyamatok LNOI-n
Az LNOI platformon előállított nagy teljesítményű nanofotonikus struktúrák lehetővé teszik kulcsfontosságú nemlineáris optikai folyamatok megvalósítását figyelemre méltó hatékonysággal és minimális pumpálási teljesítménnyel. A bemutatott folyamatok a következők:
- Második harmonikus generáció (SHG)
- Összegfrekvencia-generálás (SFG)
- Különbségfrekvencia-generálás (DFG)
- Parametrikus lefelé konvertálás (PDC)
- Négyhullámú keverés (FWM)
Különböző fázisillesztési sémákat valósítottak meg ezen folyamatok optimalizálása érdekében, így az LNOI egy rendkívül sokoldalú nemlineáris optikai platformmá vált.
Elektrooptikailag hangolható integrált eszközök
Az LNOI technológia lehetővé tette számos aktív és passzív hangolható fotonikus eszköz fejlesztését is, mint például:
- Nagysebességű optikai modulátorok
- Újrakonfigurálható multifunkcionális PIC-ek
- Hangolható frekvenciakeverők
- Mikrooptomechanikus rugók
Ezek az eszközök a lítium-niobát belső EO-tulajdonságait használják ki a fényjelek precíz, nagy sebességű vezérléséhez.
Az LNOI fotonika gyakorlati alkalmazásai
Az LNOI-alapú PIC-eket egyre több gyakorlati alkalmazásban alkalmazzák, beleértve:
- Mikrohullámú-optikai átalakítók
- Optikai érzékelők
- Chipre integrált spektrométerek
- Optikai frekvencia fésűk
- Fejlett telekommunikációs rendszerek
Ezek az alkalmazások demonstrálják az LNOI azon képességét, hogy teljesítményében elérje a tömeges optikai alkatrészekét, miközben skálázható, energiahatékony megoldásokat kínál a fotolitográfiai gyártás révén.
Jelenlegi kihívások és jövőbeli irányok
Az ígéretes eredmények ellenére az LNOI technológia számos technikai akadállyal néz szembe:
a) Az optikai veszteség további csökkentése
Az áram hullámvezető vesztesége (0,01 dB/cm) még mindig nagyságrenddel magasabb, mint az anyag abszorpciós határértéke. Az ionszeletelési technikák és a nanogyártás fejlesztésére van szükség a felületi érdesség és az abszorpcióval kapcsolatos hibák csökkentése érdekében.
b) Továbbfejlesztett hullámvezető geometria vezérlés
A nagyobb integrációs sűrűség eléréséhez elengedhetetlen a 700 nm alatti hullámvezetők és a 2 μm alatti csatolási rések engedélyezése az ismételhetőség feláldozása vagy a terjedési veszteség növelése nélkül.
c) A kapcsolási hatékonyság növelése
Míg a kúpos szálak és a módusátalakítók segítenek a magas csatolási hatékonyság elérésében, a tükröződésmentes bevonatok tovább csökkenthetik a levegő-anyag határfelület visszaverődéseit.
d) Alacsony veszteségű polarizációs komponensek fejlesztése
Az LNOI-n lévő polarizációra érzéketlen fotonikus eszközök elengedhetetlenek, olyan alkatrészeket igényelnek, amelyek teljesítménye megegyezik a szabad térbeli polarizátorokéval.
e) Vezérlőelektronika integrációja
A nagyméretű vezérlőelektronika hatékony integrálása az optikai teljesítmény romlása nélkül kulcsfontosságú kutatási irány.
f) Fejlett fázisillesztési és diszperziós mérnöki munka
A szubmikronos felbontású, megbízható doménmintázás létfontosságú a nemlineáris optikához, de az LNOI platformon továbbra is éretlen technológia.
g) Gyártási hibákért járó kártérítés
A környezeti változások vagy gyártási eltérések okozta fáziseltolódások mérséklésére szolgáló technikák elengedhetetlenek a valós telepítéshez.
h) Hatékony többchipes csatolás
A több LNOI chip közötti hatékony csatolás kezelése szükséges az egyetlen wafer integrációs korlátain túli skálázáshoz.
Aktív és passzív komponensek monolitikus integrációja
Az LNOI PIC-ek egyik fő kihívása az aktív és passzív komponensek költséghatékony monolitikus integrációja, mint például:
- Lézerek
- Detektorok
- Nemlineáris hullámhossz-átalakítók
- Modulátorok
- Multiplexerek/Demultiplexerek
A jelenlegi stratégiák a következők:
a) LNOI iondoppingolása:
Az aktív ionok szelektív doppingolása a kijelölt régiókba on-chip fényforrásokhoz vezethet.
b) Kötés és heterogén integráció:
Az előre gyártott passzív LNOI PIC-ek adalékolt LNOI rétegekkel vagy III-V lézerekkel való összeillesztése alternatív utat kínál.
c) Hibrid aktív/passzív LNOI szeletgyártás:
Egy innovatív megközelítés magában foglalja az adalékolt és adalékolatlan LN ostyák ionszeletelés előtti összekötését, aminek eredményeként LNOI ostyákban aktív és passzív régiók is vannak.
1. ábraábra a hibrid integrált aktív/passzív PIC-ek koncepcióját szemlélteti, ahol egyetlen litográfiai eljárás lehetővé teszi mindkét típusú komponens zökkenőmentes összehangolását és integrációját.
Fotodetektorok integrációja
A fotodetektorok LNOI-alapú PIC-ekbe integrálása egy újabb kulcsfontosságú lépés a teljesen működőképes rendszerek felé. Két fő megközelítést vizsgálnak:
a) Heterogén integráció:
A félvezető nanostruktúrák tranziensen csatolhatók LNOI hullámvezetőkhöz. Azonban a detektálási hatékonyság és a skálázhatóság javítására továbbra is szükség van.
b) Nemlineáris hullámhossz-átalakítás:
Az LN nemlineáris tulajdonságai lehetővé teszik a frekvenciaátalakítást a hullámvezetőkön belül, lehetővé téve a szabványos szilícium fotodetektorok használatát a működési hullámhossztól függetlenül.
Következtetés
Az LNOI technológia gyors fejlődése közelebb hozza az iparágat egy univerzális PIC platformhoz, amely széles körű alkalmazásokat képes kiszolgálni. A meglévő kihívások kezelésével és a monolitikus és detektoros integráció innovációinak előmozdításával az LNOI-alapú PIC-k forradalmasíthatják olyan területeket, mint a telekommunikáció, a kvantuminformatika és az érzékelés.
Az LNOI ígéretesnek tartja a skálázható PIC-k régóta dédelgetett víziójának megvalósítását, az EIC-k sikeréhez és hatásához hasonlóan. A folyamatos K+F erőfeszítések – mint például a Nanjing Photonics Process Platform és a XiaoyaoTech Design Platform erőfeszítései – kulcsfontosságúak lesznek az integrált fotonika jövőjének alakításában és az új lehetőségek feltárásában a technológiai területeken.
Közzététel ideje: 2025. július 18.