Uvod
Navdihnjeno z uspehom elektronskih integriranih vezij (EIC) se področje fotonskih integriranih vezij (PIC) razvija že od svojega nastanka leta 1969. Vendar pa za razliko od EIC razvoj univerzalne platforme, ki bi lahko podpirala različne fotonske aplikacije, ostaja velik izziv. Ta članek raziskuje nastajajočo tehnologijo litijevega niobata na izolatorju (LNOI), ki je hitro postala obetavna rešitev za PIC naslednje generacije.
Vzpon tehnologije LNOI
Litijev niobat (LN) je že dolgo prepoznan kot ključni material za fotonske aplikacije. Vendar pa je bil njegov polni potencial v celoti razkrit šele s pojavom tankoplastnih LNOI in naprednih tehnik izdelave. Raziskovalci so uspešno predstavili grebenske valovode z ultra nizkimi izgubami in mikroresonatorje z ultra visokim Q na platformah LNOI [1], kar pomeni pomemben preskok v integrirani fotoniki.
Ključne prednosti tehnologije LNOI
- Ultra nizke optične izgube(samo 0,01 dB/cm)
- Visokokakovostne nanofotonske strukture
- Podpora za različne nelinearne optične procese
- Integrirana elektrooptična (EO) nastavljivost
Nelinearni optični procesi na LNOI
Visokozmogljive nanofotonske strukture, izdelane na platformi LNOI, omogočajo realizacijo ključnih nelinearnih optičnih procesov z izjemno učinkovitostjo in minimalno močjo črpanja. Demonstrirani procesi vključujejo:
- Druga harmonska generacija (SHG)
- Generiranje skupne frekvence (SFG)
- Generiranje diferencialne frekvence (DFG)
- Parametrična pretvorba navzdol (PDC)
- Štirivalovni mešalnik (FWM)
Za optimizacijo teh procesov so bile uvedene različne sheme faznega ujemanja, s čimer je LNOI postal zelo vsestranska nelinearna optična platforma.
Elektro-optično nastavljive integrirane naprave
Tehnologija LNOI je omogočila tudi razvoj širokega nabora aktivnih in pasivnih nastavljivih fotonskih naprav, kot so:
- Visokohitrostni optični modulatorji
- Rekonfigurabilni večnamenski PIC-i
- Nastavljivi frekvenčni glavniki
- Mikro-optomehanske vzmeti
Te naprave izkoriščajo intrinzične EO lastnosti litijevega niobata za doseganje natančnega in hitrega nadzora svetlobnih signalov.
Praktična uporaba LNOI fotonike
PIC-i, ki temeljijo na LNOI, se zdaj uporabljajo v vse večjem številu praktičnih aplikacij, vključno z:
- Mikrovalovni v optične pretvornike
- Optični senzorji
- Spektrometri na čipu
- Optični frekvenčni glavniki
- Napredni telekomunikacijski sistemi
Te aplikacije dokazujejo potencial LNOI, da se ujema z zmogljivostjo komponent v razsutem stanju, hkrati pa ponuja skalabilne, energetsko učinkovite rešitve s fotolitografsko izdelavo.
Trenutni izzivi in prihodnje smeri
Kljub obetavnemu napredku se tehnologija LNOI sooča s številnimi tehničnimi ovirami:
a) Nadaljnje zmanjšanje optičnih izgub
Izguba toka v valovodu (0,01 dB/cm) je še vedno za velikostni razred višja od meje absorpcije materiala. Za zmanjšanje hrapavosti površine in napak, povezanih z absorpcijo, je potreben napredek v tehnikah ionskega rezanja in nanofabrikaciji.
b) Izboljšan nadzor geometrije valovoda
Omogočanje valovodov pod 700 nm in povezovalnih vrzeli pod 2 μm brez žrtvovanja ponovljivosti ali povečanja izgub pri širjenju je ključnega pomena za večjo gostoto integracije.
c) Izboljšanje učinkovitosti sklopitve
Medtem ko zožena vlakna in pretvorniki modov pomagajo doseči visoko učinkovitost sklopitve, lahko antirefleksni premazi dodatno zmanjšajo odboje na vmesniku zrak-material.
d) Razvoj polarizacijskih komponent z nizkimi izgubami
Polarizacijsko neobčutljive fotonske naprave na LNOI so bistvenega pomena in zahtevajo komponente, ki ustrezajo zmogljivosti polarizatorjev v prostem prostoru.
e) Integracija krmilne elektronike
Učinkovita integracija obsežne krmilne elektronike brez poslabšanja optičnih zmogljivosti je ključna raziskovalna smer.
f) Napredno fazno ujemanje in disperzijsko inženirstvo
Zanesljivo vzorčenje domen pri submikronski ločljivosti je ključnega pomena za nelinearno optiko, vendar na platformi LNOI ostaja nezrela tehnologija.
g) Odškodnina za napake pri izdelavi
Tehnike za ublažitev faznih premikov, ki jih povzročajo okoljske spremembe ali odstopanja v izdelavi, so bistvene za uporabo v resničnem svetu.
h) Učinkovita veččipna sklopka
Za preseganje omejitev integracije posameznih rezin je potrebno obravnavati učinkovito povezovanje med več čipi LNOI.
Monolitna integracija aktivnih in pasivnih komponent
Ključni izziv za LNOI PIC je stroškovno učinkovita monolitna integracija aktivnih in pasivnih komponent, kot so:
- Laserji
- Detektorji
- Nelinearni pretvorniki valovnih dolžin
- Modulatorji
- Multiplekserji/demultiplekserji
Trenutne strategije vključujejo:
a) Ionsko dopiranje LNOI:
Selektivno dopiranje aktivnih ionov v določena območja lahko vodi do svetlobnih virov na čipu.
b) Vezava in heterogena integracija:
Vezava vnaprej izdelanih pasivnih LNOI PIC-ov z dopiranimi LNOI plastmi ali III-V laserji ponuja alternativno pot.
c) Izdelava hibridnih aktivnih/pasivnih LNOI rezin:
Inovativen pristop vključuje lepljenje dopiranih in nedopiranih LN rezin pred ionskim rezanjem, kar ima za posledico LNOI rezine z aktivnimi in pasivnimi območji.
Slika 1ilustrira koncept hibridnih integriranih aktivno/pasivnih PIC-ov, kjer en sam litografski postopek omogoča brezhibno poravnavo in integracijo obeh vrst komponent.
Integracija fotodetektorjev
Integracija fotodetektorjev v PIC-e, ki temeljijo na LNOI, je še en ključni korak k popolnoma delujočim sistemom. Preučujeta se dva glavna pristopa:
a) Heterogena integracija:
Polprevodniške nanostrukture je mogoče prehodno povezati z valovodnimi vezji LNOI. Vendar so še vedno potrebne izboljšave učinkovitosti zaznavanja in skalabilnosti.
b) Nelinearna pretvorba valovnih dolžin:
Nelinearne lastnosti LN omogočajo pretvorbo frekvence znotraj valovodov, kar omogoča uporabo standardnih silicijevih fotodetektorjev ne glede na delovno valovno dolžino.
Zaključek
Hiter napredek tehnologije LNOI približuje industrijo univerzalni platformi PIC, ki je sposobna služiti širokemu spektru aplikacij. Z reševanjem obstoječih izzivov in spodbujanjem inovacij na področju monolitne in detektorske integracije imajo PIC-i, ki temeljijo na LNOI, potencial za revolucijo na področjih, kot so telekomunikacije, kvantne informacije in zaznavanje.
LNOI obljublja izpolnitev dolgoletne vizije skalabilnih PIC-ov, ki bodo ustrezali uspehu in vplivu EIC-ov. Nadaljnja prizadevanja na področju raziskav in razvoja – kot so tista na platformi Nanjing Photonics Process Platform in platformi XiaoyaoTech Design Platform – bodo ključnega pomena za oblikovanje prihodnosti integrirane fotonike in odpiranje novih možnosti na različnih tehnoloških področjih.
Čas objave: 18. julij 2025