Johdanto
Elektronisten integroitujen piirien (EIC) menestyksen innoittamana fotonisten integroitujen piirien (PIC) ala on kehittynyt alustaan vuonna 1969 lähtien. Toisin kuin EIC-piireissä, universaalin alustan kehittäminen, joka pystyy tukemaan erilaisia fotoniikan sovelluksia, on kuitenkin edelleen suuri haaste. Tässä artikkelissa tarkastellaan kehittyvää litiumniobaatti eristeellä (LNOI) -teknologiaa, josta on nopeasti tullut lupaava ratkaisu seuraavan sukupolven PIC-piireille.
LNOI-teknologian nousu
Litiumniobaattia (LN) on pitkään pidetty keskeisenä materiaalina fotoniikan sovelluksissa. Sen täysi potentiaali on kuitenkin saavutettu vasta ohutkalvoisten LNOI-rakenteiden ja edistyneiden valmistustekniikoiden myötä. Tutkijat ovat onnistuneesti osoittaneet erittäin pienihäviöisiä harjanneaaltojohtimia ja erittäin korkean Q-arvon omaavia mikroresonaattoreita LNOI-alustoilla [1], mikä on merkittävä harppaus integroidussa fotoniikassa.
LNOI-teknologian tärkeimmät edut
- Erittäin pieni optinen häviö(jopa 0,01 dB/cm)
- Korkealaatuiset nanofotoniset rakenteet
- Tuki erilaisille epälineaarisille optisille prosesseille
- Integroitu sähköoptinen (EO) viritettävyys
Epälineaariset optiset prosessit LNOI:lla
LNOI-alustalla valmistetut tehokkaat nanofotoniset rakenteet mahdollistavat keskeisten epälineaaristen optisten prosessien toteuttamisen huomattavalla tehokkuudella ja minimaalisella pumppausteholla. Esiteltyjä prosesseja ovat:
- Toinen harmoninen sukupolvi (SHG)
- Summataajuuden generointi (SFG)
- Erotaajuuden generointi (DFG)
- Parametrinen alasmuunnos (PDC)
- Neljän aallon sekoitus (FWM)
Näiden prosessien optimoimiseksi on toteutettu erilaisia vaihesovitusmenetelmiä, jotka ovat luoneet LNOI:sta erittäin monipuolisen epälineaarisen optisen alustan.
Elektrooptisesti viritettävät integroidut laitteet
LNOI-teknologia on myös mahdollistanut laajan valikoiman aktiivisten ja passiivisten viritettävien fotonisten laitteiden kehittämisen, kuten:
- Nopeat optiset modulaattorit
- Uudelleenkonfiguroitavat monitoimiset PIC-piirit
- Viritettävät taajuuskammat
- Mikro-optomekaaniset jouset
Nämä laitteet hyödyntävät litiumniobaatin luontaisia EO-ominaisuuksia valosignaalien tarkan ja nopean ohjauksen saavuttamiseksi.
LNOI-fotoniikan käytännön sovellukset
LNOI-pohjaisia PIC-piirejä käytetään nyt yhä useammassa käytännön sovelluksessa, mukaan lukien:
- Mikroaalto-optiset muuntimet
- Optiset anturit
- Sirulla olevat spektrometrit
- Optiset taajuuskammat
- Edistyneet televiestintäjärjestelmät
Nämä sovellukset osoittavat LNOI:n potentiaalin vastata massaoptisten komponenttien suorituskykyyn ja tarjota samalla skaalautuvia, energiatehokkaita ratkaisuja fotolitografisen valmistuksen avulla.
Nykyiset haasteet ja tulevaisuuden suunnat
Lupaavasta edistyksestään huolimatta LNOI-teknologia kohtaa useita teknisiä haasteita:
a) Optisen häviön vähentäminen entisestään
Virta-aaltojohtimen häviö (0,01 dB/cm) on edelleen suuruusluokkaa suurempi kuin materiaalin absorptioraja. Ioniviipalointitekniikoiden ja nanotuotannon kehitystä tarvitaan pinnan karheuden ja absorptioon liittyvien vikojen vähentämiseksi.
b) Parannettu aaltojohdegeometrian hallinta
Alle 700 nm:n aaltojohteiden ja alle 2 μm:n kytkentäaukkojen mahdollistaminen toistettavuudesta tinkimättä tai etenemishäviötä lisäämättä on ratkaisevan tärkeää suuremman integrointitiheyden saavuttamiseksi.
c) Kytkimen tehokkuuden parantaminen
Vaikka kapenevat kuidut ja moodimuuntimet auttavat saavuttamaan korkean kytkentätehokkuuden, heijastamattomat pinnoitteet voivat entisestään vähentää ilman ja materiaalin rajapinnan heijastuksia.
d) Vähähäviöisten polarisaatiokomponenttien kehittäminen
LNOI:n polarisaatioherkät fotoniset laitteet ovat välttämättömiä, ja ne vaativat komponentteja, jotka vastaavat vapaan tilan polarisaattoreiden suorituskykyä.
e) Ohjauselektroniikan integrointi
Laajamittaisen ohjauselektroniikan tehokas integrointi optista suorituskykyä heikentämättä on keskeinen tutkimussuunta.
f) Edistynyt faasisovitus- ja dispersiotekniikka
Luotettava domeenikuviointi submikronin resoluutiolla on elintärkeää epälineaariselle optiikalle, mutta se on edelleen kehittymätön teknologia LNOI-alustalla.
g) Valmistusvirheiden korvaaminen
Ympäristömuutosten tai valmistusvaihteluiden aiheuttamien vaihesiirtymien lieventämiseen tarkoitetut tekniikat ovat välttämättömiä todellisessa käyttöönotossa.
h) Tehokas monisirukytkentä
Useiden LNOI-sirujen välisen tehokkaan kytkennän ratkaiseminen on välttämätöntä, jotta skaalautuminen yksittäisten kiekkojen integrointirajojen ylittyisi.
Aktiivisten ja passiivisten komponenttien monoliittinen integrointi
LNOI-PIC-piirien keskeinen haaste on aktiivisten ja passiivisten komponenttien kustannustehokas monoliittinen integrointi, kuten:
- Laserit
- Ilmaisimet
- Epälineaariset aallonpituusmuuntimet
- Modulaattorit
- Multiplekserit/demultiplekserit
Nykyisiin strategioihin kuuluvat:
a) LNOI:n ioniseostus:
Aktiivisten ionien selektiivinen seostaminen määrätyille alueille voi johtaa sirulla oleviin valonlähteisiin.
b) Sidostuminen ja heterogeeninen integraatio:
Vaihtoehtoisen tavan tarjoaa esivalmistettujen passiivisten LNOI-PIC-piirien liittäminen seostettuihin LNOI-kerroksiin tai III-V-lasereihin.
c) Hybridi-aktiivinen/passiivinen LNOI-kiekkojen valmistus:
Innovatiivisessa lähestymistavassa seostetut ja seostamattomat LN-kiekot liitetään yhteen ennen ionileikkausta, jolloin saadaan LNOI-kiekkoja, joissa on sekä aktiivisia että passiivisia alueita.
Kuva 1havainnollistaa hybridi-integroitujen aktiivisten/passiivisten PIC-piirien konseptia, jossa yksi litografinen prosessi mahdollistaa molempien komponenttityyppien saumattoman kohdistuksen ja integroinnin.
Valoilmaisimien integrointi
Valoilmaisimien integrointi LNOI-pohjaisiin PIC-piireihin on toinen ratkaiseva askel kohti täysin toimivia järjestelmiä. Kahta ensisijaista lähestymistapaa tutkitaan parhaillaan:
a) Heterogeeninen integrointi:
Puolijohde-nanorakenteita voidaan kytkeä transienttisesti LNOI-aaltojohtimiin. Havaitsemistehokkuutta ja skaalautuvuutta tarvitaan kuitenkin edelleen parannuksia.
b) Epälineaarinen aallonpituuden muunnos:
LN:n epälineaariset ominaisuudet mahdollistavat taajuuden muuntamisen aaltojohteissa, mikä mahdollistaa standardinmukaisten piivalodetektorien käytön toiminta-aallonpituudesta riippumatta.
Johtopäätös
LNOI-teknologian nopea kehitys tuo alan lähemmäksi universaalia PIC-alustaa, joka pystyy palvelemaan laajaa sovellusaluetta. Vastaamalla olemassa oleviin haasteisiin ja edistämällä innovaatioita monoliittisessa ja detektori-integraatiossa, LNOI-pohjaisilla PIC-piireillä on potentiaalia mullistaa aloja, kuten televiestintää, kvantti-informaatiota ja sensorointia.
LNOI:lla on lupaus täyttää skaalautuvien PIC-piirien pitkäaikainen visio ja vastata EIC-piirien menestykseen ja vaikutukseen. Jatkuvat tutkimus- ja kehitystyöt – kuten Nanjing Photonics Process Platformin ja XiaoyaoTech Design Platformin toimet – ovat keskeisessä asemassa integroidun fotoniikan tulevaisuuden muokkaamisessa ja uusien mahdollisuuksien avaamisessa eri teknologia-alueilla.
Julkaisuaika: 18.7.2025