Wstęp
Zainspirowana sukcesem elektronicznych układów scalonych (EIC), dziedzina fotonicznych układów scalonych (PIC) rozwija się od momentu jej powstania w 1969 roku. Jednak w przeciwieństwie do EIC, opracowanie uniwersalnej platformy obsługującej różnorodne zastosowania fotoniczne pozostaje poważnym wyzwaniem. Niniejszy artykuł omawia rozwijającą się technologię niobianu litu na izolatorze (LNOI), która szybko stała się obiecującym rozwiązaniem dla układów PIC nowej generacji.
Rozwój technologii LNOI
Niobian litu (LN) od dawna jest uznawany za kluczowy materiał do zastosowań fotonicznych. Jednak dopiero pojawienie się cienkowarstwowych LNOI i zaawansowanych technik wytwarzania pozwoliło na pełne wykorzystanie jego potencjału. Naukowcy z powodzeniem zademonstrowali zastosowanie falowodów grzbietowych o ultraniskiej stratności i mikrorezonatorów o ultrawysokiej dobroci Q na platformach LNOI [1], co stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie fotoniki zintegrowanej.
Główne zalety technologii LNOI
- Bardzo niskie straty optyczne(nawet 0,01 dB/cm)
- Wysokiej jakości struktury nanofotoniczne
- Obsługa różnorodnych nieliniowych procesów optycznych
- Zintegrowana możliwość strojenia elektrooptycznego (EO)
Nieliniowe procesy optyczne w LNOI
Wysokowydajne struktury nanofotoniczne wytwarzane na platformie LNOI umożliwiają realizację kluczowych nieliniowych procesów optycznych z niezwykłą wydajnością i minimalną mocą pompowania. Zaprezentowane procesy obejmują:
- Druga generacja harmoniczna (SHG)
- Suma Generacji Częstotliwości (SFG)
- Generowanie częstotliwości różnicowych (DFG)
- Parametryczna konwersja w dół (PDC)
- Miksowanie czterofalowe (FWM)
W celu optymalizacji tych procesów wdrożono różne schematy dopasowania fazowego, co uczyniło LNOI niezwykle wszechstronną platformą optyki nieliniowej.
Urządzenia zintegrowane strojone elektrooptycznie
Technologia LNOI umożliwiła również rozwój szerokiej gamy aktywnych i pasywnych, strojonych urządzeń fotonicznych, takich jak:
- Modulatory optyczne dużej prędkości
- Rekonfigurowalne wielofunkcyjne PIC-i
- Strojone grzebienie częstotliwości
- Mikro-optomechaniczne sprężyny
Urządzenia te wykorzystują naturalne właściwości EO niobianu litu, co pozwala na precyzyjną i szybką kontrolę sygnałów świetlnych.
Praktyczne zastosowania fotoniki LNOI
Fotodiody PIC bazujące na LNOI są obecnie stosowane w coraz większej liczbie praktycznych zastosowań, w tym:
- Konwertery mikrofalowo-optyczne
- Czujniki optyczne
- Spektrometry na chipie
- Grzebienie częstotliwości optycznej
- Zaawansowane systemy telekomunikacyjne
Zastosowania te pokazują potencjał technologii LNOI w zakresie dorównywania wydajnością elementom optycznym produkowanym masowo, przy jednoczesnym zapewnieniu skalowalnych i energooszczędnych rozwiązań dzięki produkcji fotolitograficznej.
Obecne wyzwania i przyszłe kierunki
Pomimo obiecującego postępu, technologia LNOI napotyka na kilka przeszkód technicznych:
a) Dalsza redukcja strat optycznych
Obecna strata falowodu (0,01 dB/cm) jest nadal o rząd wielkości wyższa niż granica absorpcji materiału. Konieczne są postępy w technikach cięcia jonowego i nanofabrykacji, aby zmniejszyć chropowatość powierzchni i defekty związane z absorpcją.
b) Ulepszona kontrola geometrii falowodu
Włączenie falowodów o długości poniżej 700 nm i odstępach sprzęgających poniżej 2 μm bez poświęcania powtarzalności lub zwiększania strat propagacyjnych ma kluczowe znaczenie dla uzyskania większej gęstości integracji.
c) Zwiększanie wydajności sprzęgania
Podczas gdy włókna stożkowe i konwertery modów pomagają osiągnąć wysoką wydajność sprzężenia, powłoki antyrefleksyjne mogą dodatkowo łagodzić odbicia na granicy powietrze-materiał.
d) Rozwój komponentów polaryzacyjnych o niskich stratach
Urządzenia fotoniczne odporne na polaryzację na LNOI są niezbędne i wymagają komponentów o parametrach porównywalnych z polaryzatorami przestrzeni swobodnej.
e) Integracja elektroniki sterującej
Kluczowym kierunkiem badań jest skuteczna integracja elektroniki sterującej na dużą skalę bez pogarszania parametrów optycznych.
f) Zaawansowana inżynieria dopasowania faz i dyspersji
Niezawodne wzorcowanie domen w rozdzielczości submikronowej jest kluczowe dla optyki nieliniowej, ale wciąż jest to niedojrzała technologia na platformie LNOI.
g) Odszkodowanie za wady produkcyjne
Techniki łagodzące przesunięcia fazowe spowodowane zmianami środowiskowymi lub odchyleniami w procesie produkcji są niezbędne do wdrożenia w warunkach rzeczywistych.
h) Wydajne sprzężenie wieloprocesorowe
Aby wyjść poza ograniczenia integracji pojedynczych płytek, konieczne jest zajęcie się kwestią efektywnego sprzężenia między wieloma układami LNOI.
Monolityczna integracja komponentów aktywnych i pasywnych
Podstawowym wyzwaniem dla układów PIC LNOI jest ekonomiczna, monolityczna integracja aktywnych i pasywnych komponentów, takich jak:
- Lasery
- Detektory
- Nieliniowe konwertery długości fali
- Modulatory
- Multipleksery/demultipleksery
Obecne strategie obejmują:
a) Domieszkowanie jonowe LNOI:
Selektywne domieszkowanie jonami aktywnymi wyznaczonych obszarów może prowadzić do powstania źródeł światła na układzie scalonym.
b) Wiązanie i integracja heterogeniczna:
Alternatywną ścieżkę stanowi połączenie prefabrykowanych pasywnych układów PIC LNOI z domieszkowanymi warstwami LNOI lub laserami III-V.
c) Produkcja hybrydowych aktywnych/pasywnych płytek LNOI:
Innowacyjne podejście polega na połączeniu domieszkowanych i niedomieszkowanych płytek LN przed cięciem jonowym, co skutkuje powstaniem płytek LNOI z obszarami aktywnymi i pasywnymi.
Rysunek 1ilustruje koncepcję hybrydowych zintegrowanych aktywnych/pasywnych układów PIC, w których pojedynczy proces litograficzny pozwala na bezproblemowe ustawienie i integrację obu typów komponentów.
Integracja fotodetektorów
Integracja fotodetektorów z mikrokontrolerami PIC opartymi na LNOI to kolejny kluczowy krok w kierunku w pełni funkcjonalnych systemów. Badane są dwa główne podejścia:
a) Integracja heterogeniczna:
Nanostruktury półprzewodnikowe można przejściowo sprzężyć z falowodami LNOI. Nadal jednak konieczne są ulepszenia w zakresie wydajności detekcji i skalowalności.
b) Nieliniowa konwersja długości fali:
Nieliniowe właściwości LN pozwalają na konwersję częstotliwości w falowodach, co pozwala na stosowanie standardowych fotodetektorów krzemowych bez względu na długość fali roboczej.
Wniosek
Szybki rozwój technologii LNOI przybliża branżę do uniwersalnej platformy PIC, która może obsłużyć szeroki zakres aplikacji. Rozwiązując istniejące problemy i wprowadzając innowacje w zakresie integracji monolitycznej i detektorowej, układy PIC oparte na LNOI mają potencjał zrewolucjonizowania takich dziedzin jak telekomunikacja, informatyka kwantowa i czujniki.
LNOI ma nadzieję zrealizować długofalową wizję skalowalnych układów PIC, dorównując sukcesowi i wpływowi układów EIC. Kontynuowane prace badawczo-rozwojowe – takie jak te prowadzone w ramach platformy Nanjing Photonics Process Platform i platformy projektowej XiaoyaoTech Design Platform – będą miały kluczowe znaczenie dla kształtowania przyszłości zintegrowanej fotoniki i otwierania nowych możliwości w różnych dziedzinach technologii.
Czas publikacji: 18 lipca 2025 r.