Uvod
Inspirisano uspjehom elektronskih integrisanih kola (EIC), polje fotonskih integrisanih kola (PIC) se razvija od svog nastanka 1969. godine. Međutim, za razliku od EIC-a, razvoj univerzalne platforme sposobne da podrži različite fotonske primjene ostaje veliki izazov. Ovaj članak istražuje novu tehnologiju litijum niobata na izolatoru (LNOI), koja je brzo postala obećavajuće rješenje za PIC-ove sljedeće generacije.
Uspon LNOI tehnologije
Litijum niobat (LN) je odavno prepoznat kao ključni materijal za fotonske primjene. Međutim, tek pojavom tankoslojnih LNOI i naprednih tehnika izrade, njegov puni potencijal je otkriven. Istraživači su uspješno demonstrirali grebenaste valovode sa ultra-niskim gubicima i mikrorezonatore sa ultra-visokim Q faktorom na LNOI platformama [1], što označava značajan skok u integriranoj fotonici.
Ključne prednosti LNOI tehnologije
- Ultra niski optički gubici(samo 0,01 dB/cm)
- Visokokvalitetne nanofotonske strukture
- Podrška za različite nelinearne optičke procese
- Integrisana elektrooptička (EO) podesivnost
Nelinearni optički procesi na LNOI
Visokoperformansne nanofotonske strukture izrađene na LNOI platformi omogućavaju realizaciju ključnih nelinearnih optičkih procesa sa izuzetnom efikasnošću i minimalnom snagom pumpe. Demonstrirani procesi uključuju:
- Generisanje drugog harmonika (SHG)
- Generisanje sumarne frekvencije (SFG)
- Generisanje diferencijalne frekvencije (DFG)
- Parametarska konverzija naniže (PDC)
- Četvero-talasno miješanje (FWM)
Različite sheme faznog usklađivanja implementirane su kako bi se optimizirali ovi procesi, uspostavljajući LNOI kao vrlo svestranu nelinearnu optičku platformu.
Elektro-optički podesivi integrirani uređaji
LNOI tehnologija je također omogućila razvoj širokog spektra aktivnih i pasivnih podesivih fotonskih uređaja, kao što su:
- Optički modulatori velike brzine
- Rekonfigurabilni multifunkcionalni PIC-ovi
- Češljevi za podešavanje frekvencije
- Mikro-optomehaničke opruge
Ovi uređaji koriste intrinzična EO svojstva litijum niobata kako bi postigli preciznu i brzu kontrolu svjetlosnih signala.
Praktična primjena LNOI fotonike
PIC-ovi zasnovani na LNOI-ju sada se usvajaju u sve većem broju praktičnih primjena, uključujući:
- Mikrovalni u optički pretvarači
- Optički senzori
- Spektrometri na čipu
- Optički frekvencijski češljevi
- Napredni telekomunikacijski sistemi
Ove primjene pokazuju potencijal LNOI da dostigne performanse komponenti velike optike, a istovremeno nudi skalabilna, energetski efikasna rješenja putem fotolitografske izrade.
Trenutni izazovi i budući pravci
Uprkos obećavajućem napretku, LNOI tehnologija se suočava sa nekoliko tehničkih prepreka:
a) Daljnje smanjenje optičkih gubitaka
Gubitak strujnog talasovoda (0,01 dB/cm) je i dalje za red veličine veći od granice apsorpcije materijala. Potreban je napredak u tehnikama jonskog rezanja i nanofabrikaciji kako bi se smanjila hrapavost površine i defekti povezani s apsorpcijom.
b) Poboljšana kontrola geometrije valovoda
Omogućavanje talasovoda ispod 700 nm i spojnih razmaka ispod 2 μm bez žrtvovanja ponovljivosti ili povećanja gubitka propagacije ključno je za veću gustinu integracije.
c) Povećanje efikasnosti spajanja
Dok sužena vlakna i pretvarači modova pomažu u postizanju visoke efikasnosti sprege, antirefleksni premazi mogu dodatno ublažiti refleksije na granici zrak-materijal.
d) Razvoj komponenti polarizacije s malim gubicima
Fotonski uređaji na LNOI koji nisu osjetljivi na polarizaciju su neophodni i zahtijevaju komponente koje odgovaraju performansama polarizatora u slobodnom prostoru.
e) Integracija upravljačke elektronike
Efikasna integracija upravljačke elektronike velikih razmjera bez degradacije optičkih performansi ključni je istraživački smjer.
f) Napredno fazno usklađivanje i inženjerstvo disperzije
Pouzdano strukturiranje domena u submikronskoj rezoluciji je ključno za nelinearnu optiku, ali ostaje nezrela tehnologija na LNOI platformi.
g) Naknada za nedostatke u izradi
Tehnike za ublažavanje faznih pomaka uzrokovanih promjenama u okolini ili varijacijama u proizvodnji su ključne za primjenu u stvarnom svijetu.
h) Efikasno višečipno spajanje
Rješavanje efikasnog povezivanja između više LNOI čipova je neophodno za skaliranje izvan ograničenja integracije pojedinačnih pločica.
Monolitna integracija aktivnih i pasivnih komponenti
Ključni izazov za LNOI PIC-ove je isplativa monolitna integracija aktivnih i pasivnih komponenti kao što su:
- Laseri
- Detektori
- Nelinearni pretvarači talasnih dužina
- Modulatori
- Multiplekseri/Demultiplekseri
Trenutne strategije uključuju:
a) Ionsko dopiranje LNOI:
Selektivno dopiranje aktivnih iona u određena područja može dovesti do izvora svjetlosti na čipu.
b) Vezivanje i heterogena integracija:
Spajanje prefabrikovanih pasivnih LNOI PIC-ova sa dopiranim LNOI slojevima ili III-V laserima pruža alternativni put.
c) Izrada hibridnih aktivnih/pasivnih LNOI pločica:
Inovativni pristup uključuje spajanje dopiranih i nedopiranih LN pločica prije ionskog rezanja, što rezultira LNOI pločicama s aktivnim i pasivnim regijama.
Slika 1ilustruje koncept hibridnih integriranih aktivnih/pasivnih PIC-ova, gdje jedan litografski proces omogućava besprijekorno poravnanje i integraciju obje vrste komponenti.
Integracija fotodetektora
Integracija fotodetektora u PIC-ove zasnovane na LNOI-u je još jedan ključni korak ka potpuno funkcionalnim sistemima. Istražuju se dva primarna pristupa:
a) Heterogena integracija:
Poluprovodničke nanostrukture mogu biti privremeno spregnute sa LNOI talasovodima. Međutim, i dalje su potrebna poboljšanja u efikasnosti detekcije i skalabilnosti.
b) Nelinearna konverzija talasne dužine:
Nelinearna svojstva LN-a omogućavaju konverziju frekvencije unutar talasovoda, što omogućava upotrebu standardnih silicijumskih fotodetektora bez obzira na radnu talasnu dužinu.
Zaključak
Brzi napredak LNOI tehnologije približava industriju univerzalnoj PIC platformi sposobnoj za širok spektar primjena. Rješavanjem postojećih izazova i promoviranjem inovacija u monolitnoj integraciji i integraciji detektora, PIC-ovi zasnovani na LNOI-ju imaju potencijal da revolucioniraju oblasti poput telekomunikacija, kvantnih informacija i senzora.
LNOI obećava ispunjenje dugogodišnje vizije skalabilnih PIC-ova, koji će parirati uspjehu i utjecaju EIC-ova. Kontinuirani istraživačko-razvojni napori - poput onih od strane Nanjing Photonics Process Platform i XiaoyaoTech Design Platform - bit će ključni u oblikovanju budućnosti integrirane fotonike i otključavanju novih mogućnosti u tehnološkim domenima.
Vrijeme objave: 18. jul 2025.