Кіріспе
Электрондық интегралдық микросхемалардың (ЭИК) табысынан шабыттанған фотондық интегралдық микросхемалар (ФИК) саласы 1969 жылы құрылғаннан бері дамып келеді. Дегенмен, ЭИК-терден айырмашылығы, әртүрлі фотондық қолданбаларды қолдай алатын әмбебап платформаны әзірлеу үлкен қиындық болып қала береді. Бұл мақалада келесі буын ПИК-тері үшін тез арада перспективалы шешімге айналған литий ниобатының изолятордағы (ЛНИОБ) пайда болу технологиясы қарастырылады.
LNOI технологиясының өрлеуі
Литий ниобаты (LN) фотондық қолданбалар үшін негізгі материал ретінде ұзақ уақыт бойы танылған. Дегенмен, тек жұқа қабықшалы LNOI және озық өндіріс әдістерінің пайда болуымен ғана оның толық әлеуеті ашылды. Зерттеушілер LNOI платформаларында ультра төмен шығынды жоталық толқын өткізгіштер мен ультра жоғары Q микрорезонаторларын сәтті көрсетті [1], бұл интеграцияланған фотоникадағы айтарлықтай секірісті белгіледі.
LNOI технологиясының негізгі артықшылықтары
- Өте төмен оптикалық шығын(0,01 дБ/см дейін)
- Жоғары сапалы нанофотоникалық құрылымдар
- Әртүрлі сызықтық емес оптикалық процестерді қолдау
- Кіріктірілген электро-оптикалық (EO) реттеу мүмкіндігі
LNOI-дегі сызықты емес оптикалық процестер
LNOI платформасында жасалған жоғары өнімді нанофотоникалық құрылымдар негізгі сызықтық емес оптикалық процестерді тамаша тиімділікпен және минималды сорғы қуатымен жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Көрсетілген процестерге мыналар кіреді:
- Екінші гармоникалық буын (SHG)
- Қосынды жиілік генерациясы (ҚЖГ)
- Айырмашылық жиілік генерациясы (DFG)
- Параметрлік төмен айналдыру (PDC)
- Төрт толқынды араластыру (FWM)
Бұл процестерді оңтайландыру үшін әртүрлі фазалық сәйкестендіру схемалары енгізілді, бұл LNOI-ді өте әмбебап сызықтық емес оптикалық платформа ретінде белгіледі.
Электроптикалық реттелетін интеграцияланған құрылғылар
LNOI технологиясы сонымен қатар белсенді және пассивті реттелетін фотондық құрылғылардың кең ауқымын әзірлеуге мүмкіндік берді, мысалы:
- Жоғары жылдамдықты оптикалық модуляторлар
- Қайта конфигурацияланатын көп функциялы PIC
- Реттелетін жиілік тарақтары
- Микрооптомеханикалық серіппелер
Бұл құрылғылар жарық сигналдарын дәл, жоғары жылдамдықпен басқаруға қол жеткізу үшін литий ниобатының ішкі EO қасиеттерін пайдаланады.
LNOI фотоникасының практикалық қолданылуы
LNOI негізіндегі PIC қазіргі уақытта практикалық қолданыстар санының артуымен кеңеюде, соның ішінде:
- Микротолқынды-оптикалық түрлендіргіштер
- Оптикалық сенсорлар
- Чиптегі спектрометрлер
- Оптикалық жиілік тарақтары
- Жетілдірілген телекоммуникациялық жүйелер
Бұл қолданбалар LNOI-дің көлемді-оптикалық компоненттердің өнімділігіне сәйкес келу әлеуетін көрсетеді, сонымен қатар фотолитографиялық өндіріс арқылы масштабталатын, энергия үнемдейтін шешімдерді ұсынады.
Қазіргі қиындықтар және болашақ бағыттар
Үміт күтетін прогреске қарамастан, LNOI технологиясы бірнеше техникалық кедергілерге тап болады:
а) Оптикалық шығынды одан әрі азайту
Ток толқын өткізгіштің шығыны (0,01 дБ/см3) материалдың сіңіру шегінен әлі де бірнеше есе жоғары. Беттік кедір-бұдырлықты және сіңіруге байланысты ақауларды азайту үшін иондарды кесу әдістері мен наноөндірістегі жетістіктер қажет.
b) Толқын бағыттаушы геометриясын басқаруды жақсарту
Интеграция тығыздығын арттыру үшін қайталануды жоғалтпай немесе таралу шығынын арттырмай, 700 нм-ден төмен толқынжолдарды және 2 мкм-ден төмен байланыс саңылауларын қосу өте маңызды.
c) Муфта тиімділігін арттыру
Конус тәрізді талшықтар мен режим түрлендіргіштері жоғары байланыстыру тиімділігіне қол жеткізуге көмектессе, шағылыстыруға қарсы жабындар ауа-материал интерфейсінің шағылысуларын одан әрі азайта алады.
d) Төмен шығынды поляризация компоненттерін әзірлеу
LNOI-дегі поляризацияға сезімтал емес фотондық құрылғылар өте маңызды, олар бос кеңістік поляризаторларының жұмысына сәйкес келетін компоненттерді қажет етеді.
e) Басқару электроникасын интеграциялау
Оптикалық өнімділікті төмендетпей, ірі көлемді басқару электроникасын тиімді түрде біріктіру негізгі зерттеу бағыты болып табылады.
f) Фазаларды сәйкестендіру және дисперсиялаудың озық инженериясы
Микроннан төмен ажыратымдылықтағы сенімді домендік өрнек сызықтық емес оптика үшін өте маңызды, бірақ LNOI платформасында әлі де жетілмеген технология болып қала береді.
g) Өндіріс ақаулары үшін өтемақы
Қоршаған ортаның өзгеруінен немесе өндіріс ауытқуларынан туындаған фазалық ығысуларды азайту әдістері нақты әлемде орналастыру үшін өте маңызды.
h) Тиімді көп чипті муфта
Бірнеше LNOI чиптері арасындағы тиімді байланысты шешу бір пластиналы интеграция шектеулерінен асып кету үшін қажет.
Белсенді және пассивті компоненттердің монолиттік интеграциясы
LNOI PIC-тері үшін негізгі қиындық - белсенді және пассивті компоненттердің тиімді монолитті интеграциясы, мысалы:
- Лазерлер
- Детекторлар
- Сызықтық емес толқын ұзындығы түрлендіргіштері
- Модуляторлар
- Мультиплексорлар/Демультиплексорлар
Ағымдағы стратегияларға мыналар кіреді:
а) LNOI иондық легирлеуі:
Белсенді иондарды белгіленген аймақтарға селективті түрде қосу чиптегі жарық көздеріне әкелуі мүмкін.
b) Байланыс және гетерогенді интеграция:
Алдын ала дайындалған пассивті LNOI PIC-терін легирленген LNOI қабаттарымен немесе III-V лазерлерімен байланыстыру балама жолды ұсынады.
c) Гибридті белсенді/пассивті LNOI пластиналарын жасау:
Инновациялық тәсіл иондық кесу алдында легирленген және легирленбеген LN пластиналарын байланыстыруды қамтиды, нәтижесінде белсенді және пассивті аймақтары бар LNOI пластиналары алынады.
1-суретгибридті интеграцияланған белсенді/пассивті PIC тұжырымдамасын көрсетеді, мұнда бір литографиялық процесс екі компонент түрін де біркелкі туралауға және біріктіруге мүмкіндік береді.
Фотодетекторлардың интеграциясы
Фотодетекторларды LNOI негізіндегі PIC-терге біріктіру толық функционалды жүйелерге бағытталған тағы бір маңызды қадам болып табылады. Екі негізгі тәсіл зерттелуде:
а) Гетерогенді интеграция:
Жартылай өткізгіш наноқұрылымдарды уақытша LNOI толқынжолдармен байланыстыруға болады. Дегенмен, анықтау тиімділігі мен масштабталуын жақсарту әлі де қажет.
b) Сызықтық емес толқын ұзындығын түрлендіру:
LN-нің сызықтық емес қасиеттері толқын өткізгіштер ішіндегі жиілікті түрлендіруге мүмкіндік береді, бұл жұмыс толқын ұзындығына қарамастан стандартты кремний фотодетекторларын пайдалануға мүмкіндік береді.
Қорытынды
LNOI технологиясының жылдам дамуы саланы кең ауқымды қолданбаларға қызмет көрсете алатын әмбебап PIC платформасына жақындатады. Қолданыстағы қиындықтарды шешу және монолитті және детекторлық интеграциядағы инновацияларды алға жылжыту арқылы LNOI негізіндегі PIC-тер телекоммуникация, кванттық ақпарат және сенсорлық жүйелер сияқты салаларда төңкеріс жасау мүмкіндігіне ие.
LNOI EIC-тердің табысы мен әсеріне сәйкес келетін масштабталатын PIC-тердің ұзақ мерзімді көрінісін орындауға уәде береді. Nankin Photonics Process Platform және XiaoyaoTech Design Platform сияқты үздіксіз ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстар интеграцияланған фотоника болашағын қалыптастыруда және технологиялық салалардағы жаңа мүмкіндіктерді ашуда шешуші рөл атқарады.
Жарияланған уақыты: 18 шілде 2025 ж.