Úvod
Inšpirovaná úspechom elektronických integrovaných obvodov (EIC) sa oblasť fotonických integrovaných obvodov (PIC) vyvíja od svojho vzniku v roku 1969. Na rozdiel od EIC však vývoj univerzálnej platformy schopnej podporovať rôzne fotonické aplikácie zostáva hlavnou výzvou. Tento článok skúma vznikajúcu technológiu lítium-niobátu na izolátore (LNOI), ktorá sa rýchlo stala sľubným riešením pre PIC novej generácie.
Vzostup technológie LNOI
Niobičnan lítny (LN) je už dlho uznávaný ako kľúčový materiál pre fotonické aplikácie. Avšak až s príchodom tenkovrstvovej LNOI a pokročilých výrobných techník sa jeho plný potenciál uvoľnil. Výskumníci úspešne demonštrovali hrebeňové vlnovody s ultranízkymi stratami a mikrorezonátory s ultravysokým Q faktorom na platformách LNOI [1], čo predstavuje významný skok v integrovanej fotonike.
Kľúčové výhody technológie LNOI
- Ultranízke optické straty(už od 0,01 dB/cm)
- Vysokokvalitné nanofotonické štruktúry
- Podpora rôznych nelineárnych optických procesov
- Integrovaná elektrooptická (EO) laditeľnosť
Nelineárne optické procesy na LNOI
Vysoko výkonné nanofotonické štruktúry vyrobené na platforme LNOI umožňujú realizáciu kľúčových nelineárnych optických procesov s pozoruhodnou účinnosťou a minimálnym čerpacím výkonom. Medzi demonštrované procesy patria:
- Generovanie druhej harmonickej (SHG)
- Generovanie súčtovej frekvencie (SFG)
- Generovanie rozdielovej frekvencie (DFG)
- Parametrická konverzia nadol (PDC)
- Štvorvlnové miešanie (FWM)
Na optimalizáciu týchto procesov boli implementované rôzne schémy fázového prispôsobenia, čím sa LNOI stala vysoko všestrannou nelineárnou optickou platformou.
Elektroopticky laditeľné integrované zariadenia
Technológia LNOI tiež umožnila vývoj širokej škály aktívnych a pasívnych laditeľných fotonických zariadení, ako napríklad:
- Vysokorýchlostné optické modulátory
- Rekonfigurovateľné multifunkčné PIC
- Laditeľné frekvenčné hrebene
- Mikrooptomechanické pružiny
Tieto zariadenia využívajú vnútorné EO vlastnosti niobátu lítneho na dosiahnutie presného a vysokorýchlostného riadenia svetelných signálov.
Praktické aplikácie fotoniky LNOI
PIC založené na LNOI sa v súčasnosti používajú v čoraz väčšom počte praktických aplikácií vrátane:
- Mikrovlnné optické prevodníky
- Optické senzory
- Spektrometre na čipe
- Optické frekvenčné hrebene
- Pokročilé telekomunikačné systémy
Tieto aplikácie demonštrujú potenciál LNOI porovnať výkon s objemovými optickými komponentmi a zároveň ponúknuť škálovateľné a energeticky úsporné riešenia prostredníctvom fotolitografickej výroby.
Súčasné výzvy a budúce smery
Napriek sľubnému pokroku čelí technológia LNOI niekoľkým technickým prekážkam:
a) Ďalšie zníženie optických strát
Strata prúdového vlnovodu (0,01 dB/cm) je stále rádovo vyššia ako limit absorpcie materiálu. Na zníženie drsnosti povrchu a defektov súvisiacich s absorpciou je potrebný pokrok v technikách iónového rezania a nanofabrikácii.
b) Vylepšené riadenie geometrie vlnovodu
Pre vyššiu hustotu integrácie je kľúčové umožniť vlnovody s dĺžkou pod 700 nm a väzbové medzery s dĺžkou pod 2 μm bez obetovania opakovateľnosti alebo zvýšenia strát šírenia.
c) Zvýšenie účinnosti spojenia
Zatiaľ čo zúžené vlákna a meniče módov pomáhajú dosiahnuť vysokú účinnosť väzby, antireflexné povlaky môžu ďalej zmierniť odrazy na rozhraní vzduch-materiál.
d) Vývoj nízkostratových polarizačných komponentov
Fotonické zariadenia necitlivé na polarizáciu na LNOI sú nevyhnutné a vyžadujú si komponenty, ktoré zodpovedajú výkonu polarizátorov vo voľnom priestore.
e) Integrácia riadiacej elektroniky
Kľúčovým smerom výskumu je efektívna integrácia rozsiahlej riadiacej elektroniky bez zníženia optického výkonu.
f) Pokročilé fázové prispôsobenie a disperzné inžinierstvo
Spoľahlivé vytváranie vzorov domén s submikrónovým rozlíšením je nevyhnutné pre nelineárnu optiku, ale na platforme LNOI zostáva nezrelou technológiou.
g) Kompenzácia za výrobné chyby
Techniky na zmiernenie fázových posunov spôsobených zmenami prostredia alebo odchýlkami vo výrobe sú nevyhnutné pre nasadenie v reálnom svete.
h) Efektívne viacčipové prepojenie
Riešenie efektívneho prepojenia medzi viacerými čipmi LNOI je nevyhnutné na prekročenie limitov integrácie jednotlivých doštičiek.
Monolitická integrácia aktívnych a pasívnych komponentov
Hlavnou výzvou pre LNOI PIC je nákladovo efektívna monolitická integrácia aktívnych a pasívnych komponentov, ako napríklad:
- Lasery
- Detektory
- Nelineárne prevodníky vlnových dĺžok
- Modulátory
- Multiplexory/demultiplexory
Medzi súčasné stratégie patria:
a) Iónové dopovanie LNOI:
Selektívne dopovanie aktívnych iónov do určených oblastí môže viesť k svetelným zdrojom na čipe.
b) Väzby a heterogénna integrácia:
Spájanie prefabrikovaných pasívnych LNOI PIC s dopovanými vrstvami LNOI alebo III-V lasermi poskytuje alternatívnu cestu.
c) Výroba hybridných aktívnych/pasívnych LNOI doštičiek:
Inovatívny prístup zahŕňa spájanie dopovaných a nedopovaných LN doštičiek pred iónovým krájaním, čoho výsledkom sú LNOI doštičky s aktívnymi aj pasívnymi oblasťami.
Obrázok 1ilustruje koncept hybridných integrovaných aktívnych/pasívnych PIC, kde jeden litografický proces umožňuje bezproblémové zarovnanie a integráciu oboch typov komponentov.
Integrácia fotodetektorov
Integrácia fotodetektorov do PIC založených na LNOI je ďalším kľúčovým krokom smerom k plne funkčným systémom. Skúmajú sa dva hlavné prístupy:
a) Heterogénna integrácia:
Polovodičové nanostruktúry je možné prechodne prepojiť s vlnovodmi LNOI. Stále je však potrebné zlepšiť účinnosť detekcie a škálovateľnosť.
b) Nelineárna konverzia vlnovej dĺžky:
Nelineárne vlastnosti LN umožňujú frekvenčnú konverziu vo vlnovodoch, čo umožňuje použitie štandardných kremíkových fotodetektorov bez ohľadu na prevádzkovú vlnovú dĺžku.
Záver
Rýchly pokrok v technológii LNOI približuje odvetvie k univerzálnej platforme PIC schopnej slúžiť širokej škále aplikácií. Riešením existujúcich výziev a presadzovaním inovácií v oblasti monolitických integrácií a integrácie detektorov majú PIC založené na LNOI potenciál revolúciu v oblastiach ako telekomunikácie, kvantová informácia a snímanie.
Spoločnosť LNOI sľubuje naplnenie dlhodobej vízie škálovateľných PIC, ktoré zodpovedajú úspechu a vplyvu EIC. Pokračujúce úsilie v oblasti výskumu a vývoja – ako napríklad úsilie z platformy Nanjing Photonics Process Platform a platformy XiaoyaoTech Design Platform – bude kľúčové pri formovaní budúcnosti integrovanej fotoniky a odomykaní nových možností v rôznych technologických oblastiach.
Čas uverejnenia: 18. júla 2025