Вступ
Натхненна успіхом електронних інтегральних схем (ЕІС), галузь фотонних інтегральних схем (ФІС) розвивалася з моменту свого створення в 1969 році. Однак, на відміну від ЕІС, розробка універсальної платформи, здатної підтримувати різноманітні фотонні застосування, залишається серйозною проблемою. У цій статті досліджується нова технологія ніобату літію на ізоляторі (LNOI), яка швидко стала перспективним рішенням для ФІС наступного покоління.
Зростання технології LNOI
Ніобат літію (LN) вже давно визнаний ключовим матеріалом для фотонних застосувань. Однак лише з появою тонкоплівкових LNOI та передових методів виготовлення його повний потенціал був розкритий. Дослідники успішно продемонстрували хвилеводи з наднизькими втратами та мікрорезонатори з надвисокою добротністю на платформах LNOI [1], що ознаменує значний крок в інтегрованій фотоніці.
Ключові переваги технології LNOI
- Надзвичайно низькі оптичні втрати(до 0,01 дБ/см)
- Високоякісні нанофотонні структури
- Підтримка різноманітних нелінійних оптичних процесів
- Інтегрована електрооптична (ЕО) настроюваність
Нелінійні оптичні процеси на LNOI
Високопродуктивні нанофотонні структури, виготовлені на платформі LNOI, дозволяють реалізувати ключові нелінійні оптичні процеси з надзвичайною ефективністю та мінімальною потужністю накачування. Продемонстровані процеси включають:
- Генерація другої гармоніки (ГДГ)
- Генерація сумарної частоти (SFG)
- Генерація різниці частот (DFG)
- Параметричне перетворення на пониження частоти (PDC)
- Чотирихвильове змішування (FWM)
Для оптимізації цих процесів було впроваджено різні схеми фазового узгодження, що зробило LNOI дуже універсальною нелінійною оптичною платформою.
Електрооптично настроювані інтегровані пристрої
Технологія LNOI також дозволила розробити широкий спектр активних та пасивних настроюваних фотонних пристроїв, таких як:
- Високошвидкісні оптичні модулятори
- Реконфігуровані багатофункціональні PIC
- Настроювані частотні гребінці
- Мікрооптомеханічні пружини
Ці пристрої використовують властиві іонно-ефірні властивості ніобату літію для досягнення точного та високошвидкісного керування світловими сигналами.
Практичне застосування фотоніки LNOI
PIC на основі LNOI зараз використовуються у все більшій кількості практичних застосувань, включаючи:
- Мікрохвильові перетворювачі в оптичні
- Оптичні датчики
- Вбудовані спектрометри
- Оптичні частотні гребінці
- Передові телекомунікаційні системи
Ці застосування демонструють потенціал LNOI для досягнення продуктивності, подібної до компонентів об'ємної оптики, водночас пропонуючи масштабовані, енергоефективні рішення завдяки фотолітографічному виготовленню.
Поточні виклики та майбутні напрямки
Незважаючи на багатообіцяючий прогрес, технологія LNOI стикається з кількома технічними перешкодами:
a) Подальше зменшення оптичних втрат
Втрати струму в хвилеводі (0,01 дБ/см) все ще на порядок вищі за межу поглинання матеріалом. Для зменшення шорсткості поверхні та дефектів, пов'язаних з поглинанням, необхідні досягнення в технологіях іонного зрізання та нанофабрикації.
b) Покращене керування геометрією хвилеводу
Забезпечення використання хвилеводів з довжиною хвилі менше 700 нм та зазорів зв'язку менше 2 мкм без шкоди для повторюваності або збільшення втрат на поширення має вирішальне значення для вищої щільності інтеграції.
c) Підвищення ефективності зчеплення
Хоча конічні волокна та перетворювачі мод допомагають досягти високої ефективності зв'язку, антивідбивні покриття можуть додатково пом'якшувати відбиття на межі розділу повітря-матеріал.
d) Розробка компонентів поляризації з низькими втратами
Нечутливі до поляризації фотонні пристрої на LNOI є важливими, вимагаючи компонентів, що відповідають продуктивності поляризаторів у вільному просторі.
e) Інтеграція керуючої електроніки
Ефективна інтеграція великомасштабної керуючої електроніки без погіршення оптичних характеристик є ключовим напрямком досліджень.
f) Розширене узгодження фаз та дисперсійна інженерія
Надійне формування структури доменів з субмікронною роздільною здатністю є життєво важливим для нелінійної оптики, але залишається незрілою технологією на платформі LNOI.
g) Компенсація за виробничі дефекти
Методи пом'якшення фазових зсувів, спричинених змінами навколишнього середовища або варіаціями у виробництві, є важливими для реального впровадження.
h) Ефективне багаточіпове з'єднання
Для масштабування за межі інтеграції однієї пластини необхідне вирішення проблеми ефективного зв'язку між кількома мікросхемами LNOI.
Монолітна інтеграція активних та пасивних компонентів
Основною проблемою для PIC на основі LNOI є економічно ефективна монолітна інтеграція активних та пасивних компонентів, таких як:
- Лазери
- Детектори
- Нелінійні перетворювачі довжин хвиль
- Модулятори
- Мультиплексори/демультиплексори
Поточні стратегії включають:
a) Іонне легування LNOI:
Вибіркове легування активними іонами визначених областей може призвести до появи джерел світла на кристалі.
b) Зв'язування та гетерогенна інтеграція:
Зв'язування попередньо виготовлених пасивних LNOI PIC з легованими шарами LNOI або III-V лазерами пропонує альтернативний шлях.
c) Виготовлення гібридної активно-пасивної пластини LNOI:
Інноваційний підхід включає склеювання легованих та нелегованих пластин LN перед іонним нарізанням, що призводить до отримання пластин LNOI як з активними, так і з пасивними областями.
Рисунок 1ілюструє концепцію гібридних інтегрованих активно/пасивних PIC, де єдиний літографічний процес забезпечує безшовне вирівнювання та інтеграцію обох типів компонентів.
Інтеграція фотодетекторів
Інтеграція фотодетекторів у PIC на основі LNOI є ще одним важливим кроком до повнофункціональних систем. Досліджуються два основні підходи:
а) Гетерогенна інтеграція:
Напівпровідникові наноструктури можуть бути тимчасово з'єднані з хвилеводами LNOI. Однак, все ще потрібні покращення ефективності детектування та масштабованості.
b) Нелінійне перетворення довжини хвилі:
Нелінійні властивості ЛН дозволяють перетворювати частоту в хвилеводах, що дає змогу використовувати стандартні кремнієві фотодетектори незалежно від робочої довжини хвилі.
Висновок
Швидкий розвиток технології LNOI наближає галузь до універсальної платформи PIC, здатної обслуговувати широкий спектр застосувань. Вирішуючи існуючі проблеми та просуваючи інновації в монолітній інтеграції та інтеграції детекторів, PIC на основі LNOI мають потенціал для революції в таких галузях, як телекомунікації, квантова інформація та сенсори.
LNOI обіцяє реалізувати давнє бачення масштабованих PIC, що відповідає успіху та впливу EIC. Постійні зусилля в галузі досліджень та розробок, такі як Nanjing Photonics Process Platform та XiaoyaoTech Design Platform, матимуть вирішальне значення для формування майбутнього інтегрованої фотоніки та розкриття нових можливостей у різних технологічних галузях.
Час публікації: 18 липня 2025 р.