Въведение
Вдъхновена от успеха на електронните интегрални схеми (EIC), областта на фотонните интегрални схеми (PIC) се развива от самото си създаване през 1969 г. Въпреки това, за разлика от EIC, разработването на универсална платформа, способна да поддържа разнообразни фотонни приложения, остава основно предизвикателство. Тази статия изследва нововъзникващата технология „литиев ниобат върху изолатор“ (LNOI), която бързо се превърна в обещаващо решение за PIC от следващо поколение.
Възходът на LNOI технологията
Литиевият ниобат (LN) отдавна е признат за ключов материал за фотонни приложения. Но едва с появата на тънкослойни LNOI и усъвършенствани техники за производство, пълният му потенциал е разгърнат. Изследователи успешно демонстрираха вълноводи с ултраниски загуби на гребени и микрорезонатори с ултрависок Q фактор на LNOI платформи [1], отбелязвайки значителен скок в интегрираната фотоника.
Основни предимства на LNOI технологията
- Ултраниски оптични загуби(до 0,01 dB/cm)
- Висококачествени нанофотонни структури
- Поддръжка на разнообразни нелинейни оптични процеси
- Интегрирана електрооптична (EO) настройваемост
Нелинейни оптични процеси върху LNOI
Високопроизводителни нанофотонни структури, изработени на платформата LNOI, позволяват реализирането на ключови нелинейни оптични процеси със забележителна ефективност и минимална мощност на помпата. Демонстрираните процеси включват:
- Генериране на втора хармоника (SHG)
- Генериране на сумарни честоти (SFG)
- Генериране на различна честота (DFG)
- Параметрично преобразуване надолу (PDC)
- Четиривълново смесване (FWM)
Различни схеми за фазово съгласуване са внедрени за оптимизиране на тези процеси, утвърждавайки LNOI като изключително гъвкава нелинейна оптична платформа.
Електрооптично настройваеми интегрирани устройства
Технологията LNOI също така позволи разработването на широка гама от активни и пасивни настройваеми фотонни устройства, като например:
- Високоскоростни оптични модулатори
- Реконфигурируеми многофункционални PIC-ове
- Настройваеми честотни гребени
- Микрооптомеханични пружини
Тези устройства използват присъщите EO свойства на литиевия ниобат, за да постигнат прецизен и високоскоростен контрол на светлинните сигнали.
Практически приложения на LNOI фотониката
PIC, базирани на LNOI, сега се прилагат във все по-голям брой практически приложения, включително:
- Микровълнови към оптични преобразуватели
- Оптични сензори
- Спектрометри на чип
- Оптични честотни гребени
- Усъвършенствани телекомуникационни системи
Тези приложения демонстрират потенциала на LNOI да постигне съответствие с производителността на компонентите с обемна оптика, като същевременно предлага мащабируеми, енергийно ефективни решения чрез фотолитографско производство.
Настоящи предизвикателства и бъдещи насоки
Въпреки обещаващия си напредък, LNOI технологията е изправена пред няколко технически препятствия:
а) Допълнително намаляване на оптичните загуби
Загубата на ток във вълновода (0,01 dB/cm) все още е с порядък по-висока от границата на поглъщане на материала. Необходими са подобрения в техниките за йонно нарязване и нанопроизводството, за да се намали грапавостта на повърхността и дефектите, свързани с поглъщането.
б) Подобрен контрол на геометрията на вълновода
Осигуряването на вълноводи под 700 nm и свързващи пролуки под 2 μm, без да се жертва повторяемостта или да се увеличават загубите на разпространение, е от решаващо значение за по-висока плътност на интеграция.
в) Повишаване на ефективността на свързването
Докато конусните влакна и преобразувателите на модове спомагат за постигане на висока ефективност на свързване, антиотражателните покрития могат допълнително да смекчат отраженията от интерфейса въздух-материал.
г) Разработване на компоненти за поляризация с ниски загуби
Нечувствителните към поляризация фотонни устройства на LNOI са от съществено значение, изисквайки компоненти, които съответстват на производителността на поляризаторите в свободно пространство.
д) Интегриране на управляваща електроника
Ефективното интегриране на широкомащабна управляваща електроника без влошаване на оптичните характеристики е ключово направление в изследванията.
f) Разширено фазово съгласуване и дисперсионно инженерство
Надеждното моделиране на домейни с субмикронна резолюция е жизненоважно за нелинейната оптика, но остава незряла технология на платформата LNOI.
ж) Обезщетение за производствени дефекти
Техниките за смекчаване на фазовите измествания, причинени от промени в околната среда или отклонения в производството, са от съществено значение за внедряването в реалния свят.
h) Ефективно многочипово свързване
Справянето с ефективното свързване между множество LNOI чипове е необходимо, за да се надхвърлят ограниченията на интеграцията на единични пластини.
Монолитна интеграция на активни и пасивни компоненти
Основно предизвикателство за LNOI PIC е рентабилната монолитна интеграция на активни и пасивни компоненти, като например:
- Лазери
- Детектори
- Нелинейни преобразуватели на дължини на вълната
- Модулатори
- Мултиплексори/демултиплексори
Настоящите стратегии включват:
а) Йонно легиране на LNOI:
Селективното допиране на активни йони в определени области може да доведе до източници на светлина върху чипа.
б) Свързване и хетерогенна интеграция:
Свързването на предварително изработени пасивни LNOI PIC с легирани LNOI слоеве или III-V лазери осигурява алтернативен път.
в) Производство на хибридни активни/пасивни LNOI пластини:
Иновативен подход включва свързване на легирани и нелегирани LN пластини преди йонно нарязване, което води до LNOI пластини с активни и пасивни области.
Фигура 1илюстрира концепцията за хибридни интегрирани активни/пасивни PIC, където един литографски процес позволява безпроблемно подравняване и интегриране на двата типа компоненти.
Интеграция на фотодетектори
Интегрирането на фотодетектори в PIC, базирани на LNOI, е друга важна стъпка към напълно функционални системи. Разглеждат се два основни подхода:
а) Хетерогенна интеграция:
Полупроводниковите наноструктури могат да бъдат временно свързани с LNOI вълноводи. Все още обаче са необходими подобрения в ефективността на детектиране и мащабируемостта.
б) Нелинейно преобразуване на дължината на вълната:
Нелинейните свойства на LN позволяват честотно преобразуване във вълноводите, което дава възможност за използването на стандартни силициеви фотодетектори, независимо от работната дължина на вълната.
Заключение
Бързото развитие на LNOI технологията доближава индустрията до универсална PIC платформа, способна да обслужва широк спектър от приложения. Чрез справяне със съществуващите предизвикателства и насърчаване на иновациите в монолитната интеграция и интеграцията на детектори, PIC, базирани на LNOI, имат потенциала да революционизират области като телекомуникациите, квантовата информация и сензорите.
LNOI държи обещанието да изпълни дългогодишната визия за мащабируеми PIC, съответстващи на успеха и въздействието на EIC. Непрекъснатите усилия в областта на научноизследователската и развойна дейност – като тези от Nanjing Photonics Process Platform и XiaoyaoTech Design Platform – ще бъдат ключови за оформянето на бъдещето на интегрираната фотоника и отключването на нови възможности в различни технологични области.
Време на публикуване: 18 юли 2025 г.