Inleiding
Geïnspireer deur die sukses van elektroniese geïntegreerde stroombane (EIC's), het die veld van fotoniese geïntegreerde stroombane (PIC's) ontwikkel sedert die ontstaan daarvan in 1969. Anders as EIC's, bly die ontwikkeling van 'n universele platform wat in staat is om diverse fotoniese toepassings te ondersteun, egter 'n groot uitdaging. Hierdie artikel ondersoek die opkomende Litiumniobate op Isolator (LNOI) tegnologie, wat vinnig 'n belowende oplossing vir volgende-generasie PIC's geword het.
Die opkoms van LNOI-tegnologie
Litiumniobat (LN) word al lank erken as 'n sleutelmateriaal vir fotoniese toepassings. Dit is egter eers met die koms van dunfilm-LNOI en gevorderde vervaardigingstegnieke dat die volle potensiaal daarvan ontsluit is. Navorsers het suksesvol ultra-lae-verlies-rifgolfgidse en ultra-hoë-Q-mikroresonators op LNOI-platforms gedemonstreer [1], wat 'n beduidende sprong in geïntegreerde fotonika aandui.
Belangrike voordele van LNOI-tegnologie
- Ultra-lae optiese verlies(so laag as 0.01 dB/cm)
- Hoë-gehalte nanofotoniese strukture
- Ondersteuning vir diverse nie-lineêre optiese prosesse
- Geïntegreerde elektro-optiese (EO) afstembaarheid
Nie-lineêre optiese prosesse op LNOI
Hoëprestasie-nanofotoniese strukture wat op die LNOI-platform vervaardig is, maak die realisering van belangrike nie-lineêre optiese prosesse met merkwaardige doeltreffendheid en minimale pompkrag moontlik. Gedemonstreerde prosesse sluit in:
- Tweede Harmoniese Generasie (SHG)
- Somfrekwensiegenerering (SFG)
- Verskilfrekwensiegenerering (DFG)
- Parametriese Afwaartse Omskakeling (PDC)
- Viergolfmenging (FWM)
Verskeie fase-ooreenstemmingskemas is geïmplementeer om hierdie prosesse te optimaliseer, wat LNOI as 'n hoogs veelsydige nie-lineêre optiese platform vestig.
Elektro-opties afstembare geïntegreerde toestelle
LNOI-tegnologie het ook die ontwikkeling van 'n wye reeks aktiewe en passiewe afstembare fotoniese toestelle moontlik gemaak, soos:
- Hoëspoed optiese modulators
- Herkonfigureerbare multifunksionele PIC's
- Instelbare frekwensiekamme
- Mikro-optomeganiese vere
Hierdie toestelle benut die intrinsieke EO-eienskappe van litiumniobat om presiese, hoëspoedbeheer van ligseine te verkry.
Praktiese Toepassings van LNOI Fotonika
LNOI-gebaseerde PIC's word nou in 'n groeiende aantal praktiese toepassings aangeneem, insluitend:
- Mikrogolf-na-optiese omsetters
- Optiese sensors
- Ingeboude spektrometers
- Optiese frekwensiekamme
- Gevorderde telekommunikasiestelsels
Hierdie toepassings demonstreer die potensiaal van LNOI om die werkverrigting van grootmaat-optiese komponente te ewenaar, terwyl dit skaalbare, energie-doeltreffende oplossings deur fotolitografiese vervaardiging bied.
Huidige uitdagings en toekomstige rigtings
Ten spyte van die belowende vordering, staar LNOI-tegnologie verskeie tegniese struikelblokke in die gesig:
a) Verdere Vermindering van Optiese Verlies
Stroomgolfgeleierverlies (0.01 dB/cm) is steeds 'n orde van grootte hoër as die materiaalabsorpsielimiet. Vooruitgang in ioonsnytegnieke en nanofabrikasie is nodig om oppervlakruheid en absorpsieverwante defekte te verminder.
b) Verbeterde beheer van golfgeleiergeometrie
Die moontlik maak van golfgidse van minder as 700 nm en koppelgapings van minder as 2 μm sonder om herhaalbaarheid in te boet of voortplantingsverlies te verhoog, is van kritieke belang vir hoër integrasiedigtheid.
c) Verbetering van Koppelingsdoeltreffendheid
Terwyl taps toelopende vesels en modusomsetters help om hoë koppeldoeltreffendheid te bereik, kan anti-refleksiebedekkings lug-materiaal-koppelvlakrefleksies verder verminder.
d) Ontwikkeling van Lae-Verlies Polarisasie Komponente
Polarisasie-ongevoelige fotoniese toestelle op LNOI is noodsaaklik en vereis komponente wat ooreenstem met die werkverrigting van vrye ruimte-polarisators.
e) Integrasie van Beheerelektronika
Die effektiewe integrasie van grootskaalse beheerelektronika sonder om optiese werkverrigting te verlaag, is 'n belangrike navorsingsrigting.
f) Gevorderde Fase-ooreenstemming en Dispersie-ingenieurswese
Betroubare domeinpatronering teen submikronresolusie is noodsaaklik vir nie-lineêre optika, maar bly 'n onvolwasse tegnologie op die LNOI-platform.
g) Vergoeding vir Vervaardigingsfoute
Tegnieke om faseverskuiwings wat deur omgewingsveranderinge of vervaardigingsafwykings veroorsaak word, te verminder, is noodsaaklik vir werklike ontplooiing.
h) Doeltreffende Multi-Chip Koppeling
Die aanspreek van doeltreffende koppeling tussen verskeie LNOI-skyfies is nodig om verder as enkel-wafer-integrasielimiete te skaal.
Monolitiese Integrasie van Aktiewe en Passiewe Komponente
'n Kernuitdaging vir LNOI PIC's is die koste-effektiewe monolitiese integrasie van aktiewe en passiewe komponente soos:
- Lasers
- Detektors
- Nie-lineêre golflengte-omskakelaars
- Modulators
- Multipleksers/Demultipleksers
Huidige strategieë sluit in:
a) Ioondoping van LNOI:
Selektiewe dotering van aktiewe ione in aangewese streke kan lei tot ligbronne op die skyfie.
b) Binding en Heterogene Integrasie:
Die binding van voorafvervaardigde passiewe LNOI PIC's met gedoteerde LNOI-lae of III-V-lasers bied 'n alternatiewe pad.
c) Hibriede Aktiewe/Passiewe LNOI-wafervervaardiging:
'n Innoverende benadering behels die binding van gedoteerde en ongedoteerde LN-wafers voor ioonsnyding, wat lei tot LNOI-wafers met beide aktiewe en passiewe streke.
Figuur 1illustreer die konsep van hibriede geïntegreerde aktiewe/passiewe PIC's, waar 'n enkele litografiese proses naatlose belyning en integrasie van beide tipes komponente moontlik maak.
Integrasie van Fotodetektors
Die integrasie van fotodetektors in LNOI-gebaseerde PIC's is nog 'n belangrike stap in die rigting van ten volle funksionele stelsels. Twee primêre benaderings word ondersoek:
a) Heterogene Integrasie:
Halfgeleier-nanostrukture kan tydelik aan LNOI-golfgidse gekoppel word. Verbeterings in opsporingsdoeltreffendheid en skaalbaarheid is egter steeds nodig.
b) Nie-lineêre golflengte-omskakeling:
LN se nie-lineêre eienskappe maak frekwensie-omskakeling binne golfgidse moontlik, wat die gebruik van standaard silikon fotodetektors moontlik maak ongeag die bedryfsgolflengte.
Gevolgtrekking
Die vinnige vooruitgang van LNOI-tegnologie bring die bedryf nader aan 'n universele PIC-platform wat 'n wye reeks toepassings kan bedien. Deur bestaande uitdagings aan te spreek en innovasies in monolitiese en detektorintegrasie te bevorder, het LNOI-gebaseerde PIC's die potensiaal om velde soos telekommunikasie, kwantuminligting en sensoriese waarneming te revolusioneer.
LNOI hou die belofte in om die langdurige visie van skaalbare PIC's te verwesenlik, wat die sukses en impak van EIC's ewenaar. Voortgesette O&O-pogings – soos dié van die Nanjing Photonics Process Platform en XiaoyaoTech Design Platform – sal deurslaggewend wees in die vorming van die toekoms van geïntegreerde fotonika en die ontsluiting van nuwe moontlikhede oor tegnologiedomeine.
Plasingstyd: 18 Julie 2025