Introduksjon
Inspirert av suksessen til elektroniske integrerte kretser (EIC-er), har feltet fotoniske integrerte kretser (PIC-er) vært i utvikling siden oppstarten i 1969. I motsetning til EIC-er er imidlertid utviklingen av en universell plattform som kan støtte ulike fotoniske applikasjoner fortsatt en stor utfordring. Denne artikkelen utforsker den nye litiumniobat-på-isolator-teknologien (LNOI), som raskt har blitt en lovende løsning for neste generasjons PIC-er.
Fremveksten av LNOI-teknologi
Litiumniobat (LN) har lenge vært anerkjent som et nøkkelmateriale for fotoniske applikasjoner. Imidlertid er det først med fremveksten av tynnfilm-LNOI og avanserte fabrikasjonsteknikker at dets fulle potensial har blitt utløst. Forskere har med hell demonstrert ryggbølgeledere med ultralavt tap og mikroresonatorer med ultrahøy Q på LNOI-plattformer [1], noe som markerer et betydelig sprang innen integrert fotonikk.
Viktige fordeler med LNOI-teknologi
- Ultralavt optisk tap(så lavt som 0,01 dB/cm)
- Høykvalitets nanofotoniske strukturer
- Støtte for ulike ikke-lineære optiske prosesser
- Integrert elektrooptisk (EO) avstemmbarhet
Ikke-lineære optiske prosesser på LNOI
Høytytende nanofotoniske strukturer produsert på LNOI-plattformen muliggjør realisering av viktige ikke-lineære optiske prosesser med bemerkelsesverdig effektivitet og minimal pumpekraft. Demonstrerte prosesser inkluderer:
- Andre harmoniske generasjon (SHG)
- Sumfrekvensgenerering (SFG)
- Differansefrekvensgenerering (DFG)
- Parametrisk nedkonvertering (PDC)
- Firebølgemiksing (FWM)
Ulike fasetilpasningsordninger har blitt implementert for å optimalisere disse prosessene, og etablerer LNOI som en svært allsidig ikke-lineær optisk plattform.
Elektrooptisk avstemmbare integrerte enheter
LNOI-teknologi har også muliggjort utviklingen av et bredt spekter av aktive og passive avstemmbare fotoniske enheter, som for eksempel:
- Høyhastighetsoptiske modulatorer
- Rekonfigurerbare multifunksjonelle PIC-er
- Justerbare frekvenskammer
- Mikrooptomekaniske fjærer
Disse enhetene utnytter de iboende EO-egenskapene til litiumniobat for å oppnå presis og høyhastighetskontroll av lyssignaler.
Praktiske anvendelser av LNOI-fotonikk
LNOI-baserte PIC-er blir nå tatt i bruk i et økende antall praktiske anvendelser, inkludert:
- Mikrobølgeovn-til-optiske omformere
- Optiske sensorer
- Spektrometre på brikken
- Optiske frekvenskammer
- Avanserte telekommunikasjonssystemer
Disse applikasjonene demonstrerer potensialet til LNOI til å matche ytelsen til bulkoptiske komponenter, samtidig som de tilbyr skalerbare, energieffektive løsninger gjennom fotolitografisk fabrikasjon.
Nåværende utfordringer og fremtidige retninger
Til tross for lovende fremskritt står LNOI-teknologien overfor flere tekniske hindringer:
a) Ytterligere reduksjon av optisk tap
Tapet i strømbølgelederen (0,01 dB/cm) er fortsatt en størrelsesorden høyere enn materialets absorpsjonsgrense. Fremskritt innen ionskuttingsteknikker og nanofabrikasjon er nødvendig for å redusere overflateruhet og absorpsjonsrelaterte defekter.
b) Forbedret kontroll av bølgeledergeometrien
Å muliggjøre bølgeledere under 700 nm og koblingsgap under 2 μm uten å ofre repeterbarhet eller øke forplantningstapet er avgjørende for høyere integrasjonstetthet.
c) Forbedring av koblingseffektiviteten
Mens koniske fibre og modusomformere bidrar til å oppnå høy koblingseffektivitet, kan antirefleksjonsbelegg ytterligere redusere refleksjoner mellom luft og materiale.
d) Utvikling av polarisasjonskomponenter med lavt tap
Polarisasjonsufølsomme fotoniske enheter på LNOI er viktige, og krever komponenter som samsvarer med ytelsen til frittromspolarisatorer.
e) Integrering av kontrollelektronikk
Å integrere storskala kontrollelektronikk effektivt uten å forringe den optiske ytelsen er en sentral forskningsretning.
f) Avansert fasetilpasning og dispersjonsteknikk
Pålitelig domenemønstring med submikronoppløsning er avgjørende for ikke-lineær optikk, men er fortsatt en umoden teknologi på LNOI-plattformen.
g) Erstatning for fabrikasjonsfeil
Teknikker for å redusere faseskift forårsaket av miljøendringer eller fabrikasjonsavvik er avgjørende for distribusjon i den virkelige verden.
h) Effektiv flerbrikkekobling
Det er nødvendig å adressere effektiv kobling mellom flere LNOI-brikker for å skalere utover grensene for integrasjon med én wafer.
Monolittisk integrasjon av aktive og passive komponenter
En kjerneutfordring for LNOI PIC-er er den kostnadseffektive monolittiske integrasjonen av aktive og passive komponenter som:
- Lasere
- Detektorer
- Ikke-lineære bølgelengdeomformere
- Modulatorer
- Multipleksere/demultipleksere
Nåværende strategier inkluderer:
a) Ionedoping av LNOI:
Selektiv doping av aktive ioner i bestemte områder kan føre til lyskilder på brikken.
b) Binding og heterogen integrasjon:
Liming av prefabrikkerte passive LNOI PIC-er med dopede LNOI-lag eller III-V-lasere gir en alternativ vei.
c) Hybrid aktiv/passiv LNOI-waferfabrikasjon:
En innovativ tilnærming innebærer å binde dopede og udopede LN-wafere før ionedeling, noe som resulterer i LNOI-wafere med både aktive og passive regioner.
Figur 1illustrerer konseptet med hybride integrerte aktive/passive PIC-er, der en enkelt litografisk prosess muliggjør sømløs justering og integrering av begge typer komponenter.
Integrering av fotodetektorer
Integrering av fotodetektorer i LNOI-baserte PIC-er er et annet viktig skritt mot fullt funksjonelle systemer. To primære tilnærminger er under utredning:
a) Heterogen integrasjon:
Halvleder-nanostrukturer kan kobles transient til LNOI-bølgeledere. Imidlertid er det fortsatt behov for forbedringer i deteksjonseffektivitet og skalerbarhet.
b) Ikke-lineær bølgelengdekonvertering:
LNs ikke-lineære egenskaper tillater frekvensomforming i bølgeledere, noe som muliggjør bruk av standard silisiumfotodetektorer uavhengig av driftsbølgelengde.
Konklusjon
Den raske utviklingen av LNOI-teknologi bringer industrien nærmere en universell PIC-plattform som er i stand til å betjene et bredt spekter av applikasjoner. Ved å ta tak i eksisterende utfordringer og fremme innovasjoner innen monolittisk og detektorintegrasjon, har LNOI-baserte PIC-er potensial til å revolusjonere felt som telekommunikasjon, kvanteinformasjon og sensorer.
LNOI lover å oppfylle den langvarige visjonen om skalerbare PIC-er, og matche suksessen og effekten av EIC-er. Fortsatt FoU-innsats – som de fra Nanjing Photonics Process Platform og XiaoyaoTech Design Platform – vil være avgjørende for å forme fremtiden for integrert fotonikk og åpne for nye muligheter på tvers av teknologidomener.
Publisert: 18. juli 2025