Indledning
Inspireret af succesen med elektroniske integrerede kredsløb (EIC'er) har feltet for fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er) udviklet sig siden dets start i 1969. I modsætning til EIC'er er udviklingen af en universel platform, der er i stand til at understøtte forskellige fotoniske applikationer, dog fortsat en stor udfordring. Denne artikel udforsker den nye lithiumniobat-on-insulator (LNOI)-teknologi, som hurtigt er blevet en lovende løsning til næste generations PIC'er.
Fremkomsten af LNOI-teknologi
Lithiumniobat (LN) har længe været anerkendt som et nøglemateriale til fotoniske anvendelser. Det er dog først med fremkomsten af tyndfilms-LNOI og avancerede fremstillingsteknikker, at dets fulde potentiale er blevet frigjort. Forskere har med succes demonstreret ultralavtabs-rygbølgeledere og ultrahøj-Q-mikroresonatorer på LNOI-platforme [1], hvilket markerer et betydeligt spring inden for integreret fotonik.
Vigtigste fordele ved LNOI-teknologi
- Ultralavt optisk tab(så lavt som 0,01 dB/cm)
- Nanofotoniske strukturer af høj kvalitet
- Understøttelse af forskellige ikke-lineære optiske processer
- Integreret elektrooptisk (EO) afstemmelse
Ikke-lineære optiske processer på LNOI
Højtydende nanofotoniske strukturer fremstillet på LNOI-platformen muliggør realisering af vigtige ikke-lineære optiske processer med bemærkelsesværdig effektivitet og minimal pumpekraft. Demonstrerede processer omfatter:
- Anden harmonisk generation (SHG)
- Sumfrekvensgenerering (SFG)
- Differensfrekvensgenerering (DFG)
- Parametrisk nedkonvertering (PDC)
- Firebølgeblanding (FWM)
Forskellige fasematchningsordninger er blevet implementeret for at optimere disse processer, hvilket etablerer LNOI som en yderst alsidig ikke-lineær optisk platform.
Elektrooptisk justerbare integrerede enheder
LNOI-teknologi har også muliggjort udviklingen af en bred vifte af aktive og passive, justerbare fotoniske enheder, såsom:
- Højhastighedsoptiske modulatorer
- Rekonfigurerbare multifunktionelle PIC'er
- Justerbare frekvenskamme
- Mikro-optomekaniske fjedre
Disse enheder udnytter de iboende EO-egenskaber ved lithiumniobat til at opnå præcis og hurtig kontrol af lyssignaler.
Praktiske anvendelser af LNOI-fotonik
LNOI-baserede PIC'er bliver nu anvendt i et stigende antal praktiske anvendelser, herunder:
- Mikrobølge-til-optiske konvertere
- Optiske sensorer
- Spektrometre på chip
- Optiske frekvenskamme
- Avancerede telekommunikationssystemer
Disse applikationer demonstrerer LNOI's potentiale til at matche ydeevnen af bulk-optiske komponenter, samtidig med at de tilbyder skalerbare, energieffektive løsninger gennem fotolitografisk fremstilling.
Nuværende udfordringer og fremtidige retninger
Trods lovende fremskridt står LNOI-teknologien over for adskillige tekniske forhindringer:
a) Yderligere reduktion af optisk tab
Tabet i strømbølgelederen (0,01 dB/cm) er stadig en størrelsesorden højere end materialets absorptionsgrænse. Fremskridt inden for ionskæringsteknikker og nanofabrikation er nødvendige for at reducere overfladeruhed og absorptionsrelaterede defekter.
b) Forbedret kontrol af bølgeledergeometri
Det er afgørende at muliggøre bølgeledere under 700 nm og koblingsgab under 2 μm uden at ofre repeterbarhed eller øge udbredelsestabet for højere integrationstæthed.
c) Forbedring af koblingseffektivitet
Mens koniske fibre og modekonvertere hjælper med at opnå høj koblingseffektivitet, kan antireflektionsbelægninger yderligere afbøde refleksioner fra luft-materiale-grænsefladen.
d) Udvikling af polarisationskomponenter med lavt tab
Polarisationsufølsomme fotoniske enheder på LNOI er essentielle og kræver komponenter, der matcher ydeevnen af frirumspolarisatorer.
e) Integration af styreelektronik
Effektiv integration af storskala styreelektronik uden at forringe den optiske ydeevne er en central forskningsretning.
f) Avanceret fasematchning og dispersionsteknik
Pålidelig domænemønstrering ved submikronopløsning er afgørende for ikke-lineær optik, men er fortsat en umoden teknologi på LNOI-platformen.
g) Erstatning for fabrikationsfejl
Teknikker til at afbøde faseskift forårsaget af miljøændringer eller fabrikationsvariationer er afgørende for implementering i den virkelige verden.
h) Effektiv multichipkobling
Det er nødvendigt at håndtere effektiv kobling mellem flere LNOI-chips for at skalere ud over grænserne for enkeltwafer-integration.
Monolitisk integration af aktive og passive komponenter
En central udfordring for LNOI PIC'er er den omkostningseffektive monolitiske integration af aktive og passive komponenter såsom:
- Lasere
- Detektorer
- Ikke-lineære bølgelængdekonvertere
- Modulatorer
- Multiplexere/Demultiplexere
Nuværende strategier omfatter:
a) Ion-doping af LNOI:
Selektiv doping af aktive ioner i udpegede områder kan føre til lyskilder på chippen.
b) Binding og heterogen integration:
Limning af præfabrikerede passive LNOI PIC'er med dopede LNOI-lag eller III-V-lasere giver en alternativ vej.
c) Hybrid aktiv/passiv LNOI-waferfremstilling:
En innovativ tilgang involverer binding af doterede og udoperede LN-wafere før ionskæring, hvilket resulterer i LNOI-wafere med både aktive og passive områder.
Figur 1illustrerer konceptet med hybride integrerede aktive/passive PIC'er, hvor en enkelt litografisk proces muliggør problemfri justering og integration af begge typer komponenter.
Integration af fotodetektorer
Integration af fotodetektorer i LNOI-baserede PIC'er er endnu et afgørende skridt mod fuldt funktionelle systemer. To primære tilgange er under undersøgelse:
a) Heterogen integration:
Halvleder-nanostrukturer kan transient kobles til LNOI-bølgeledere. Der er dog stadig behov for forbedringer i detektionseffektivitet og skalerbarhed.
b) Ikke-lineær bølgelængdekonvertering:
LN's ikke-lineære egenskaber tillader frekvenskonvertering inden for bølgeledere, hvilket muliggør brugen af standard siliciumfotodetektorer uanset driftsbølgelængde.
Konklusion
Den hurtige udvikling af LNOI-teknologi bringer industrien tættere på en universel PIC-platform, der er i stand til at betjene en bred vifte af applikationer. Ved at adressere eksisterende udfordringer og fremme innovationer inden for monolitisk og detektorintegration har LNOI-baserede PIC'er potentiale til at revolutionere områder som telekommunikation, kvanteinformation og sensorer.
LNOI lover at opfylde den mangeårige vision om skalerbare PIC'er, der matcher EIC'ernes succes og effekt. Fortsatte forsknings- og udviklingsindsatser – såsom dem fra Nanjing Photonics Process Platform og XiaoyaoTech Design Platform – vil være afgørende for at forme fremtiden for integreret fotonik og åbne op for nye muligheder på tværs af teknologidomæner.
Opslagstidspunkt: 18. juli 2025