Sissejuhatus
Elektrooniliste integraallülituste (EIC-de) edu inspireerituna on footonintegraallülituste (PIC-de) valdkond arenenud alates selle loomisest 1969. aastal. Erinevalt EIC-dest on universaalse platvormi väljatöötamine, mis suudaks toetada mitmesuguseid footonrakendusi, endiselt suureks väljakutseks. See artikkel uurib tekkivat liitiumniobaadi isolaatoril (LNOI) tehnoloogiat, millest on kiiresti saanud paljulubav lahendus järgmise põlvkonna PIC-idele.
LNOI-tehnoloogia tõus
Liitiumniobaat (LN) on juba ammu peetud footonrakenduste võtmematerjaliks. Kuid alles õhukese kile LNOI ja täiustatud tootmistehnikate tulekuga on selle täielik potentsiaal vallandatud. Teadlased on edukalt demonstreerinud üliväikese kaduga harjalainejuhte ja ülikõrge Q-teguriga mikroresonaatoreid LNOI platvormidel [1], mis tähistab olulist hüpet integreeritud footonikas.
LNOI-tehnoloogia peamised eelised
- Ülimadal optiline kadu(nii madal kui 0,01 dB/cm)
- Kvaliteetsed nanofotoonilised struktuurid
- Toetus mitmekesistele mittelineaarsetele optilistele protsessidele
- Integreeritud elektrooptilise (EO) häälestatavus
Mittelineaarsed optilised protsessid LNOI-l
LNOI platvormil valmistatud suure jõudlusega nanofotoonilised struktuurid võimaldavad realiseerida olulisi mittelineaarseid optilisi protsesse märkimisväärse efektiivsuse ja minimaalse pumbavõimsusega. Demonstreeritud protsessid hõlmavad järgmist:
- Teine harmooniline põlvkond (SHG)
- Summasageduse genereerimine (SFG)
- Erineva sageduse genereerimine (DFG)
- Parameetriline allakonversioon (PDC)
- Neljalaineline segamine (FWM)
Nende protsesside optimeerimiseks on rakendatud mitmesuguseid faaside sobitamise skeeme, luues LNOI kui väga mitmekülgse mittelineaarse optilise platvormi.
Elektrooptiliselt häälestatavad integreeritud seadmed
LNOI-tehnoloogia on võimaldanud arendada ka laia valikut aktiivseid ja passiivseid häälestatavaid fotoonilisi seadmeid, näiteks:
- Kiired optilised modulaatorid
- Ümberkonfigureeritavad multifunktsionaalsed PIC-id
- Häälestatavad sageduskammid
- Mikrooptomehaanilised vedrud
Need seadmed kasutavad liitiumniobaadi olemuslikke EO omadusi, et saavutada valgussignaalide täpne ja kiire juhtimine.
LNOI fotoonika praktilised rakendused
LNOI-põhiseid PIC-e kasutatakse nüüd üha enamates praktilistes rakendustes, sealhulgas:
- Mikrolaine-optilised muundurid
- Optilised andurid
- Kiibil olevad spektromeetrid
- Optilised sageduskammid
- Täiustatud telekommunikatsioonisüsteemid
Need rakendused demonstreerivad LNOI potentsiaali sobitada lahtiste optiliste komponentide jõudlust, pakkudes samal ajal fotolitograafilise valmistamise abil skaleeritavaid ja energiatõhusaid lahendusi.
Praegused väljakutsed ja tulevikusuunad
Vaatamata paljulubavale edule seisab LNOI-tehnoloogia silmitsi mitmete tehniliste takistustega:
a) Optilise kadu edasine vähendamine
Voolu lainejuhi kadu (0,01 dB/cm) on ikkagi suurusjärgu võrra suurem kui materjali neeldumispiir. Pinna kareduse ja neeldumisega seotud defektide vähendamiseks on vaja edusamme ioonide viilutamise tehnikates ja nanotootmises.
b) Lainejuhi geomeetria täiustatud kontroll
Suurema integreerimistiheduse saavutamiseks on ülioluline võimaldada alla 700 nm lainejuhte ja alla 2 μm sidestuspilusid ilma korduvust ohverdamata või levimiskadu suurendamata.
c) Siduri efektiivsuse suurendamine
Kuigi koonilised kiud ja moodimuundurid aitavad saavutada suurt sidestustõhusust, võivad peegeldusvastased katted õhu ja materjali vahelise liidese peegeldusi veelgi leevendada.
d) Madala kadudega polarisatsioonikomponentide väljatöötamine
LNOI-l olevad polarisatsioonitundetud fotoonilised seadmed on hädavajalikud, nõudes komponente, mis vastavad vaba ruumi polarisaatorite jõudlusele.
e) Juhtelektroonika integreerimine
Suuremahulise juhtelektroonika efektiivne integreerimine optilise jõudluse halvendamata on peamine uurimissuund.
f) Täiustatud faaside sobitamise ja dispersioonitehnika
Usaldusväärne domeenimuster submikronilise eraldusvõimega on mittelineaarse optika jaoks ülioluline, kuid LNOI platvormil on see endiselt ebaküps tehnoloogia.
g) Tootmisdefektide hüvitamine
Keskkonnamuutuste või tootmisvariatsioonide põhjustatud faasinihete leevendamise meetodid on reaalses maailmas juurutamiseks hädavajalikud.
h) Tõhus mitmekiibiline sidestus
Mitme LNOI-kiibi vahelise tõhusa ühendamise lahendamine on vajalik ühe vahvli integreerimise piiridest kaugemale ulatumiseks.
Aktiivsete ja passiivsete komponentide monoliitne integreerimine
LNOI PIC-ide peamine väljakutse on aktiivsete ja passiivsete komponentide, näiteks:
- Laserid
- Detektorid
- Mittelineaarsed lainepikkuse muundurid
- Modulaatorid
- Multiplekserid/demultiplekserid
Praegused strateegiad hõlmavad järgmist:
a) LNOI ioondoping:
Aktiivsete ioonide selektiivne dopeerimine määratud piirkondadesse võib viia kiibil olevate valgusallikateni.
b) Sidumine ja heterogeenne integratsioon:
Alternatiivse võimaluse pakub eelnevalt valmistatud passiivsete LNOI PIC-ide ühendamine legeeritud LNOI kihtide või III-V laseritega.
c) Hübriidse aktiivse/passiivse LNOI vahvli valmistamine:
Uuenduslik lähenemisviis hõlmab legeeritud ja legeerimata LN-vahvlite ühendamist enne ioonide viilutamist, mille tulemuseks on LNOI-vahvlid nii aktiivsete kui ka passiivsete piirkondadega.
Joonis 1illustreerib hübriidsete integreeritud aktiivsete/passiivsete PIC-ide kontseptsiooni, kus üks litograafiline protsess võimaldab mõlemat tüüpi komponentide sujuvat joondamist ja integreerimist.
Fotodetektorite integreerimine
Fotodetektorite integreerimine LNOI-põhistesse PIC-idesse on veel üks oluline samm täielikult funktsionaalsete süsteemide suunas. Uurimisel on kaks peamist lähenemisviisi:
a) Heterogeenne integratsioon:
Pooljuhtide nanostruktuure saab transientselt ühendada LNOI lainejuhtidega. Siiski on vaja parandada detekteerimise efektiivsust ja skaleeritavust.
b) Mittelineaarne lainepikkuse teisendus:
LN-i mittelineaarsed omadused võimaldavad lainejuhtides sageduse muundamist, võimaldades standardsete ränifotodetektorite kasutamist olenemata töölainepikkusest.
Kokkuvõte
LNOI-tehnoloogia kiire areng viib tööstuse lähemale universaalsele PIC-platvormile, mis on võimeline teenindama laia valikut rakendusi. Olemasolevate väljakutsete lahendamise ja monoliitsete ja detektorintegratsiooni uuenduste edendamise abil on LNOI-põhistel PIC-idel potentsiaal revolutsiooniliselt muuta selliseid valdkondi nagu telekommunikatsioon, kvantinformatsioon ja sensorid.
LNOI-l on lubadus täita skaleeritavate PIC-ide pikaajaline visioon, mis on sama edukas ja mõjukas kui EIC-idel. Jätkuvad teadus- ja arendustegevuse jõupingutused – näiteks Nanjingi fotoonikaprotsesside platvormi ja XiaoyaoTechi disainiplatvormi jõupingutused – on integreeritud fotoonika tuleviku kujundamisel ja uute võimaluste avamisel tehnoloogiavaldkondades üliolulised.
Postituse aeg: 18. juuli 2025