Увод
Инспирисано успехом електронских интегрисаних кола (EIC), област фотонских интегрисаних кола (PIC) се развија од свог настанка 1969. године. Међутим, за разлику од EIC-а, развој универзалне платформе способне да подржи различите фотонске примене остаје велики изазов. Овај чланак истражује нову технологију литијум ниобата на изолатору (LNOI), која је брзо постала обећавајуће решење за PIC-ове следеће генерације.
Успон LNOI технологије
Литијум ниобат (LN) је одавно препознат као кључни материјал за фотонске примене. Међутим, тек појавом танкослојних LNOI и напредних техника израде откључан је његов пуни потенцијал. Истраживачи су успешно демонстрирали гребенасте таласоводе са ултра-ниским губицима и микрорезонаторе са ултра-високим Q фактором на LNOI платформама [1], што означава значајан скок у интегрисаној фотоници.
Кључне предности LNOI технологије
- Ултра-ниски оптички губици(само 0,01 dB/cm)
- Висококвалитетне нанофотонске структуре
- Подршка за различите нелинеарне оптичке процесе
- Интегрисана електрооптичка (ЕО) подесивост
Нелинеарни оптички процеси на LNOI
Високоперформансне нанофотонске структуре направљене на LNOI платформи омогућавају реализацију кључних нелинеарних оптичких процеса са изузетном ефикасношћу и минималном снагом пумпе. Демонстрирани процеси укључују:
- Генерација друге хармонике (SHG)
- Генерисање збирне фреквенције (SFG)
- Генерисање разлике фреквенције (DFG)
- Параметријска конверзија наниже (PDC)
- Четвороталасно мешање (FWM)
Различите шеме фазног подударања су имплементиране да би се оптимизовали ови процеси, успостављајући LNOI као веома свестрану нелинеарну оптичку платформу.
Електрооптички подесиви интегрисани уређаји
LNOI технологија је такође омогућила развој широког спектра активних и пасивних подесивих фотонских уређаја, као што су:
- Брзи оптички модулатори
- Реконфигурабилни мултифункционални PIC-ови
- Подесиви фреквентни чешљеви
- Микро-оптомеханичке опруге
Ови уређаји користе суштинска ЕО својства литијум ниобата како би постигли прецизну, брзу контролу светлосних сигнала.
Практичне примене LNOI фотонике
PIC-ови засновани на LNOI-ју се сада усвајају у све већем броју практичних примена, укључујући:
- Микроталасни-оптички конвертори
- Оптички сензори
- Спектрометри на чипу
- Оптички фреквентни чешљеви
- Напредни телекомуникациони системи
Ове апликације демонстрирају потенцијал LNOI да се усклади са перформансама компоненти за расуту оптику, док истовремено нуди скалабилна, енергетски ефикасна решења путем фотолитографске израде.
Тренутни изазови и будући правци
Упркос обећавајућем напретку, LNOI технологија се суочава са неколико техничких препрека:
а) Даље смањење оптичких губитака
Губитак струје у таласоводу (0,01 dB/cm) је и даље за ред величине већи од границе апсорпције материјала. Потребан је напредак у техникама јонског сечења и нанофабрикацији како би се смањила храпавост површине и дефекти повезани са апсорпцијом.
б) Побољшана контрола геометрије таласовода
Омогућавање таласовода испод 700 nm и спрезних размака испод 2 μm без жртвовања поновљивости или повећања губитка пропагације је кључно за већу густину интеграције.
ц) Побољшање ефикасности спрезања
Док конусовита влакна и конвертори модова помажу у постизању високе ефикасности спрезања, антирефлексни премази могу додатно ублажити рефлексије на граници ваздух-материјал.
d) Развој компоненти за поларизацију са малим губицима
Фотонски уређаји неосетљиви на поларизацију на LNOI су неопходни, захтевајући компоненте које одговарају перформансама поларизатора у слободном простору.
e) Интеграција управљачке електронике
Ефикасна интеграција управљачке електронике великих размера без деградације оптичких перформанси је кључни правац истраживања.
ф) Напредно фазно подударање и инжењеринг дисперзије
Поуздано обликовање домена при субмикронској резолуцији је од виталног значаја за нелинеарну оптику, али остаје незрела технологија на LNOI платформи.
г) Накнада за производне недостатке
Технике за ублажавање фазних померања изазваних променама у окружењу или варијацијама у производњи су неопходне за примену у стварном свету.
h) Ефикасно вишечипно спрезање
Решавање ефикасног повезивања између више LNOI чипова је неопходно за скалирање изван ограничења интеграције појединачних плочица.
Монолитна интеграција активних и пасивних компоненти
Главни изазов за LNOI PIC-ове је исплатива монолитна интеграција активних и пасивних компоненти као што су:
- Ласери
- Детектори
- Нелинеарни конвертори таласних дужина
- Модулатори
- Мултиплексери/демултиплексери
Тренутне стратегије укључују:
а) Јонско допирање LNOI:
Селективно допирање активних јона у одређене регионе може довести до извора светлости на чипу.
б) Везивање и хетерогена интеграција:
Лепљење префабрикованих пасивних LNOI PIC-ова са допираним LNOI слојевима или III-V ласерима пружа алтернативни пут.
ц) Израда хибридних активних/пасивних LNOI плочица:
Иновативни приступ укључује лепљење допираних и недопираних LN плочица пре јонског сечења, што резултира LNOI плочицама са активним и пасивним регионима.
Слика 1илуструје концепт хибридних интегрисаних активно/пасивних PIC-ова, где један литографски процес омогућава беспрекорно поравнање и интеграцију обе врсте компоненти.
Интеграција фотодетектора
Интеграција фотодетектора у PIC-ове засноване на LNOI-ју је још један кључни корак ка потпуно функционалним системима. Два основна приступа су у фази истраживања:
а) Хетерогена интеграција:
Полупроводничке наноструктуре могу бити пролазно повезане са LNOI таласоводима. Међутим, побољшања ефикасности детекције и скалабилности су и даље потребна.
б) Нелинеарна конверзија таласне дужине:
Нелинеарна својства ЛН омогућавају конверзију фреквенције унутар таласовода, што омогућава употребу стандардних силицијумских фотодетектора без обзира на радну таласну дужину.
Закључак
Брзи напредак LNOI технологије приближава индустрију универзалној PIC платформи способној да служи широком спектру примена. Решавањем постојећих изазова и унапређењем иновација у монолитној и детекторској интеграцији, PIC-ови засновани на LNOI имају потенцијал да револуционишу области попут телекомуникација, квантних информација и сензора.
LNOI обећава да ће испунити дугогодишњу визију скалабилних PIC-ова, који ће одговарати успеху и утицају EIC-ова. Континуирани напори у истраживању и развоју – попут оних са Nanjing Photonics Process Platform и XiaoyaoTech Design Platform – биће кључни у обликовању будућности интегрисане фотонике и отварању нових могућности у различитим технолошким областима.
Време објаве: 18. јул 2025.