Uvod
Inspirirano uspjehom elektroničkih integriranih krugova (EIC-ova), područje fotonskih integriranih krugova (PIC-ova) razvija se od svog nastanka 1969. godine. Međutim, za razliku od EIC-ova, razvoj univerzalne platforme sposobne za podršku različitim fotonskim primjenama ostaje veliki izazov. Ovaj članak istražuje novu tehnologiju litijevog niobata na izolatoru (LNOI), koja je brzo postala obećavajuće rješenje za PIC-ove sljedeće generacije.
Uspon LNOI tehnologije
Litijev niobat (LN) odavno je prepoznat kao ključni materijal za fotonske primjene. Međutim, tek pojavom tankoslojnih LNOI i naprednih tehnika izrade otkriven je njegov puni potencijal. Istraživači su uspješno demonstrirali grebenske valovode s ultra niskim gubicima i mikrorezonatore ultra visokog Q faktora na LNOI platformama [1], što označava značajan skok u integriranoj fotonici.
Ključne prednosti LNOI tehnologije
- Ultra niski optički gubici(već od 0,01 dB/cm)
- Visokokvalitetne nanofotonske strukture
- Podrška za različite nelinearne optičke procese
- Integrirana elektrooptička (EO) prilagodljivost
Nelinearni optički procesi na LNOI
Visokoučinkovite nanofotonske strukture izrađene na LNOI platformi omogućuju realizaciju ključnih nelinearnih optičkih procesa s izvanrednom učinkovitošću i minimalnom snagom pumpe. Demonstrirani procesi uključuju:
- Generiranje drugog harmonika (SHG)
- Generiranje sumarne frekvencije (SFG)
- Generiranje diferencijalne frekvencije (DFG)
- Parametarska konverzija na nižu frekvenciju (PDC)
- Četverovalno miješanje (FWM)
Različite sheme faznog usklađivanja implementirane su za optimizaciju ovih procesa, uspostavljajući LNOI kao vrlo svestranu nelinearnu optičku platformu.
Elektrooptički podesivi integrirani uređaji
LNOI tehnologija je također omogućila razvoj širokog raspona aktivnih i pasivnih podesivih fotonskih uređaja, kao što su:
- Optički modulatori velike brzine
- Rekonfigurabilni višenamjenski PIC-ovi
- Podesivi frekvencijski češljevi
- Mikro-optomehaničke opruge
Ovi uređaji iskorištavaju intrinzična EO svojstva litijevog niobata kako bi postigli preciznu i brzu kontrolu svjetlosnih signala.
Praktična primjena LNOI fotonike
PIC-ovi temeljeni na LNOI-ju sada se usvajaju u sve većem broju praktičnih primjena, uključujući:
- Mikrovalni u optički pretvarači
- Optički senzori
- Spektrometri na čipu
- Optički frekvencijski češljevi
- Napredni telekomunikacijski sustavi
Ove primjene pokazuju potencijal LNOI-a da uskladi performanse komponenti s optikom u rasutom stanju, a istovremeno nudi skalabilna, energetski učinkovita rješenja putem fotolitografske izrade.
Trenutni izazovi i budući smjerovi
Unatoč obećavajućem napretku, LNOI tehnologija suočava se s nekoliko tehničkih prepreka:
a) Daljnje smanjenje optičkih gubitaka
Gubitak strujnog valovoda (0,01 dB/cm) još je uvijek za red veličine veći od granice apsorpcije materijala. Potreban je napredak u tehnikama ionskog rezanja i nanofabrikaciji kako bi se smanjila hrapavost površine i nedostaci povezani s apsorpcijom.
b) Poboljšana kontrola geometrije valovoda
Omogućavanje valovoda ispod 700 nm i spojnih razmaka ispod 2 μm bez žrtvovanja ponovljivosti ili povećanja gubitka propagacije ključno je za veću gustoću integracije.
c) Povećanje učinkovitosti spajanja
Dok sužena vlakna i pretvarači modova pomažu u postizanju visoke učinkovitosti spajanja, antirefleksni premazi mogu dodatno ublažiti refleksije na granici zrak-materijal.
d) Razvoj komponenti polarizacije s malim gubicima
Fotonski uređaji na LNOI-u koji nisu osjetljivi na polarizaciju su ključni i zahtijevaju komponente koje odgovaraju performansama polarizatora u slobodnom prostoru.
e) Integracija upravljačke elektronike
Učinkovita integracija upravljačke elektronike velikih razmjera bez smanjenja optičkih performansi ključni je smjer istraživanja.
f) Napredno fazno usklađivanje i inženjerstvo disperzije
Pouzdano oblikovanje domena u submikronskoj rezoluciji ključno je za nelinearnu optiku, ali ostaje nezrela tehnologija na LNOI platformi.
g) Naknada za nedostatke u izradi
Tehnike za ublažavanje faznih pomaka uzrokovanih promjenama u okolišu ili varijacijama u izradi ključne su za primjenu u stvarnom svijetu.
h) Učinkovito višečipno spajanje
Rješavanje učinkovitog spajanja između više LNOI čipova neophodno je za skaliranje izvan ograničenja integracije pojedinačnih pločica.
Monolitna integracija aktivnih i pasivnih komponenti
Ključni izazov za LNOI PIC-ove je isplativa monolitna integracija aktivnih i pasivnih komponenti kao što su:
- Laseri
- Detektori
- Nelinearni pretvarači valnih duljina
- Modulatori
- Multiplekseri/Demultiplekseri
Trenutne strategije uključuju:
a) Ionsko dopiranje LNOI-a:
Selektivno dopiranje aktivnih iona u određena područja može dovesti do izvora svjetlosti na čipu.
b) Vezivanje i heterogena integracija:
Spajanje prefabrikovanih pasivnih LNOI PIC-ova s dopiranim LNOI slojevima ili III-V laserima pruža alternativni put.
c) Izrada hibridnih aktivnih/pasivnih LNOI pločica:
Inovativni pristup uključuje spajanje dopiranih i nedopiranih LN pločica prije ionskog rezanja, što rezultira LNOI pločicama s aktivnim i pasivnim područjima.
Slika 1ilustrira koncept hibridnih integriranih aktivnih/pasivnih PIC-ova, gdje jedan litografski proces omogućuje besprijekorno poravnanje i integraciju obje vrste komponenti.
Integracija fotodetektora
Integriranje fotodetektora u PIC-ove temeljene na LNOI-ju još je jedan ključni korak prema potpuno funkcionalnim sustavima. Istražuju se dva primarna pristupa:
a) Heterogena integracija:
Poluvodičke nanostrukture mogu se privremeno spojiti na LNOI valovode. Međutim, i dalje su potrebna poboljšanja u učinkovitosti detekcije i skalabilnosti.
b) Nelinearna pretvorba valnih duljina:
Nelinearna svojstva LN-a omogućuju pretvorbu frekvencije unutar valovoda, što omogućuje korištenje standardnih silicijskih fotodetektora bez obzira na radnu valnu duljinu.
Zaključak
Brzi napredak LNOI tehnologije približava industriju univerzalnoj PIC platformi sposobnoj za širok raspon primjena. Rješavanjem postojećih izazova i poticanjem inovacija u monolitnoj integraciji i integraciji detektora, PIC-ovi temeljeni na LNOI-ju imaju potencijal revolucionirati područja poput telekomunikacija, kvantnih informacija i senzora.
LNOI drži obećanje ispunjenja dugogodišnje vizije skalabilnih PIC-ova, koji će odgovarati uspjehu i utjecaju EIC-ova. Kontinuirani istraživačko-razvojni napori - poput onih s platforme Nanjing Photonics Process Platform i platforme XiaoyaoTech Design - bit će ključni u oblikovanju budućnosti integrirane fotonike i otključavanju novih mogućnosti u tehnološkim područjima.
Vrijeme objave: 18. srpnja 2025.