Įvadas
Įkvėpta elektroninių integrinių grandynų (EIC) sėkmės, fotoninių integrinių grandynų (PIC) sritis vystėsi nuo pat savo įkūrimo 1969 m. Tačiau, skirtingai nei EIC, universalios platformos, galinčios palaikyti įvairias fotonikos programas, sukūrimas išlieka pagrindiniu iššūkiu. Šiame straipsnyje nagrinėjama besiformuojanti ličio niobato ant izoliatoriaus (LNOI) technologija, kuri greitai tapo perspektyviu sprendimu naujos kartos PIC.
LNOI technologijos iškilimas
Ličio niobatas (LN) jau seniai pripažįstamas kaip pagrindinė medžiaga fotonikos taikymams. Tačiau tik atsiradus plonasluoksniams LNOI ir pažangiems gamybos būdams, buvo atskleistas visas jo potencialas. Tyrėjai sėkmingai pademonstravo itin mažų nuostolių keterinius bangolaidžius ir itin aukštos Q mikrorezonatorius LNOI platformose [1], o tai žymi reikšmingą šuolį integruotos fotonikos srityje.
Pagrindiniai LNOI technologijos privalumai
- Itin maži optiniai nuostoliai(tik 0,01 dB/cm)
- Aukštos kokybės nanofotoninės struktūros
- Įvairių netiesinių optinių procesų palaikymas
- Integruotas elektrooptinis (EO) derinamasis gebėjimas
Netiesiniai optiniai procesai LNOI
Didelio našumo nanofotoninės struktūros, pagamintos naudojant LNOI platformą, leidžia realizuoti pagrindinius netiesinius optinius procesus, pasižyminčius puikiu efektyvumu ir minimalia siurblio galia. Demonstruojami procesai apima:
- Antroji harmoninė karta (SHG)
- Suminio dažnio generavimas (SFG)
- Skirtumo dažnio generavimas (DFG)
- Parametrinis žemyn konvertavimas (PDC)
- Keturių bangų maišymas (FWM)
Šiems procesams optimizuoti buvo įdiegtos įvairios fazių suderinimo schemos, sukuriant LNOI kaip labai universalią netiesinę optinę platformą.
Elektrooptiškai derinami integruoti įtaisai
LNOI technologija taip pat leido sukurti platų aktyvių ir pasyvių derinamų fotoninių prietaisų spektrą, pavyzdžiui:
- Didelės spartos optiniai moduliatoriai
- Perkonfigūruojami daugiafunkciniai PIC
- Derinamos dažnio šukos
- Mikrooptomechaninės spyruoklės
Šie prietaisai išnaudoja ličio niobato vidines EO savybes, kad būtų pasiektas tikslus ir greitas šviesos signalų valdymas.
LNOI fotonikos praktinis pritaikymas
LNOI pagrindu veikiantys PIC dabar taikomi vis daugiau praktinių pritaikymų, įskaitant:
- Mikrobangų-optinių keitiklių
- Optiniai jutikliai
- Lustiniai spektrometrai
- Optinio dažnio šukos
- Pažangios telekomunikacijų sistemos
Šios programos demonstruoja LNOI potencialą prilygti birių optinių komponentų našumui, kartu siūlant keičiamo dydžio, energiją taupančius sprendimus naudojant fotolitografinę gamybą.
Dabartiniai iššūkiai ir ateities kryptys
Nepaisant daug žadančios pažangos, LNOI technologija susiduria su keliomis techninėmis kliūtimis:
a) Tolesnis optinių nuostolių mažinimas
Srovės bangolaidžio nuostoliai (0,01 dB/cm) vis dar yra eilės eilės didesni už medžiagos sugerties ribą. Norint sumažinti paviršiaus šiurkštumą ir su absorbcija susijusius defektus, reikalinga jonų pjaustymo technologijų ir nanofabrikacijos pažanga.
b) Patobulintas bangolaidžio geometrijos valdymas
Didesniam integracijos tankiui labai svarbu įgalinti mažesnius nei 700 nm bangolaidžius ir mažesnius nei 2 μm sujungimo tarpus neprarandant pakartojamumo ar nepadidinant sklidimo nuostolių.
c) Sukabinimo efektyvumo didinimas
Nors kūginės skaidulos ir modulių keitikliai padeda pasiekti didelį sujungimo efektyvumą, antirefleksinės dangos gali dar labiau sumažinti oro ir medžiagos sąsajos atspindžius.
d) Mažo nuostolio poliarizacijos komponentų kūrimas
LNOI esantys poliarizacijai nejautrūs fotoniniai įtaisai yra būtini, todėl jiems reikalingi komponentai, atitinkantys laisvos erdvės poliarizatorių našumą.
e) Valdymo elektronikos integravimas
Pagrindinė tyrimų kryptis yra efektyvus didelio masto valdymo elektronikos integravimas nepabloginant optinio našumo.
f) Pažangi fazių suderinimo ir dispersijos inžinerija
Patikimas domenų modeliavimas submikrono skiriamąja geba yra gyvybiškai svarbus netiesinei optikai, tačiau LNOI platformoje tai vis dar nesubrendusi technologija.
g) Kompensacija už gamybos defektus
Technologijos, skirtos sušvelninti fazių poslinkius, kuriuos sukelia aplinkos pokyčiai arba gamybos skirtumai, yra būtinos norint jas įdiegti realiame pasaulyje.
h) Efektyvus kelių lustų sujungimas
Norint viršyti vienos plokštelės integracijos ribas, būtina spręsti efektyvaus kelių LNOI lustų sujungimo problemą.
Aktyviųjų ir pasyviųjų komponentų monolitinė integracija
Pagrindinis LNOI PIC iššūkis yra ekonomiškai efektyvi aktyviųjų ir pasyviųjų komponentų, tokių kaip:
- Lazeriai
- Detektoriai
- Netiesiniai bangos ilgio keitikliai
- Moduliatoriai
- Multiplekseriai / Demultiplekseriai
Dabartinės strategijos apima:
a) LNOI jonų legiravimas:
Selektyvus aktyviųjų jonų legiravimas į tam skirtas sritis gali lemti šviesos šaltinių gavimą lustuose.
b) Susiejimas ir heterogeninė integracija:
Alternatyvus būdas yra iš anksto pagamintų pasyviųjų LNOI PIC sujungimas su legiruotais LNOI sluoksniais arba III-V lazeriais.
c) Hibridinio aktyvaus/pasyvaus LNOI plokštelių gamyba:
Novatoriškas metodas apima legiruotų ir nelegiruotų LN plokštelių sujungimą prieš jonų pjaustymą, taip gaunant LNOI plokšteles su aktyviomis ir pasyviomis sritimis.
1 pav.iliustruoja hibridinių integruotų aktyviųjų / pasyviųjų PIC koncepciją, kai vienas litografinis procesas leidžia sklandžiai suderinti ir integruoti abiejų tipų komponentus.
Fotodetektorių integravimas
Fotodetektorių integravimas į LNOI pagrindu veikiančius PIC yra dar vienas svarbus žingsnis siekiant visiškai funkcionuojančių sistemų. Šiuo metu tiriami du pagrindiniai metodai:
a) Heterogeninė integracija:
Puslaidininkinės nanostruktūros gali būti trumpalaikiu būdu sujungtos su LNOI bangolaidžiais. Tačiau vis dar reikia tobulinti aptikimo efektyvumą ir mastelio keitimą.
b) Netiesinė bangos ilgio konversija:
Netiesinės LN savybės leidžia konvertuoti dažnį bangolaidžiuose, todėl galima naudoti standartinius silicio fotodetektorius, nepriklausomai nuo veikimo bangos ilgio.
Išvada
Sparčiai tobulėjant LNOI technologijai, pramonė priartėja prie universalios PIC platformos, galinčios aptarnauti platų pritaikymo spektrą. Spręsdamos esamus iššūkius ir skatindamos monolitinės ir detektorių integracijos inovacijas, LNOI pagrindu sukurti PIC turi potencialą iš esmės pakeisti tokias sritis kaip telekomunikacijos, kvantinė informacija ir jutikliai.
LNOI žada įgyvendinti ilgalaikę keičiamo mastelio PIC viziją, prilygstančią EIC sėkmei ir poveikiui. Nuolatinės mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos, tokios kaip Nandzingo fotonikos procesų platformos ir „XiaoyaoTech“ projektavimo platformos, bus labai svarbios formuojant integruotos fotonikos ateitį ir atveriant naujas galimybes įvairiose technologijų srityse.
Įrašo laikas: 2025 m. liepos 18 d.