Кіріспе
Электрондық интегралды схемалардың (EICs) жетістігімен шабыттанған фотонды интегралдық схемалар (PICs) саласы 1969 жылы құрылғаннан бері дамып келеді. Дегенмен, EIC-тен айырмашылығы, әртүрлі фотоникалық қосымшаларды қолдауға қабілетті әмбебап платформаны әзірлеу басты мәселе болып қала береді. Бұл мақалада келесі буын PIC үшін тез перспективалы шешімге айналған изолятордағы литий ниобаты (LNOI) технологиясы зерттеледі.
LNOI технологиясының өсуі
Литий ниобаты (LN) ұзақ уақыт бойы фотоникалық қолданбалар үшін негізгі материал ретінде танылды. Дегенмен, тек жұқа қабықшалы LNOI және алдыңғы қатарлы өндіріс әдістерінің пайда болуымен оның толық әлеуеті ашылды. Зерттеушілер LNOI платформаларында [1] ультра аз шығынды жотаның толқын өткізгіштерін және ультра жоғары Q микрорезонаторларын сәтті көрсетті, бұл интеграцияланған фотоникада айтарлықтай секіріс жасады.
LNOI технологиясының негізгі артықшылықтары
- Өте төмен оптикалық жоғалту(0,01 дБ/см дейін төмен)
- Жоғары сапалы нанофотоникалық құрылымдар
- Әртүрлі сызықтық емес оптикалық процестерді қолдау
- Біріктірілген электр-оптикалық (EO) баптау мүмкіндігі
LNOI бойынша сызықты емес оптикалық процестер
LNOI платформасында жасалған жоғары өнімді нанофотоникалық құрылымдар керемет тиімділік пен ең аз сорғы қуатымен негізгі сызықты емес оптикалық процестерді жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Көрсетілген процестерге мыналар жатады:
- Екінші гармоникалық ұрпақ (SHG)
- Жиіліктің қосындысын жасау (SFG)
- Айырмашылық жиілікті құру (DFG)
- Параметрлік төмен түрлендіру (PDC)
- Төрт толқынды араластыру (FWM)
Бұл процестерді оңтайландыру үшін әртүрлі фазаларды сәйкестендіру схемалары жүзеге асырылды, бұл LNOI-ны өте әмбебап сызықты емес оптикалық платформа ретінде белгілейді.
Электроптикалық реттелетін біріктірілген құрылғылар
LNOI технологиясы сонымен қатар белсенді және пассивті реттелетін фотоникалық құрылғылардың кең ауқымын жасауға 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 қолданулары
LNOI негізіндегі PIC қазір практикалық қолданбалардың өсіп келе жатқан санында қабылдануда, соның ішінде:
- Микротолқынды оптикалық түрлендіргіштер
- Оптикалық сенсорлар
- Чиптегі спектрометрлер
- Оптикалық жиілік тарақтары
- Жетілдірілген телекоммуникациялық жүйелер
Бұл қолданбалар фотолитографиялық өндіріс арқылы ауқымды, энергияны үнемдейтін шешімдерді ұсына отырып, көлемді-оптикалық компоненттердің өнімділігіне сәйкес келетін LNOI әлеуетін көрсетеді.
Ағымдағы міндеттер және болашақ бағдарлар
Өзінің келешегі зор прогреске қарамастан, LNOI технологиясы бірнеше техникалық кедергілерге тап болады:
a) Оптикалық жоғалтуды одан әрі азайту
Толқын өткізгіштің ағымдағы жоғалуы (0,01 дБ/см) бұрынғысынша материалды сіңіру шегінен жоғарырақ. Беттің кедір-бұдырлығын және сіңірумен байланысты ақауларды азайту үшін ионды кесу әдістері мен нанофабрикациядағы жетістіктер қажет.
b) Жақсартылған толқын өткізгіш геометрияны басқару
Қайталану мүмкіндігін жоғалтпай немесе таралу жоғалуын ұлғайтпай 700 нм-ден төмен толқын өткізгіштерді және 2 мкм-ден төмен ілінісу саңылауларын қосу интеграцияның жоғары тығыздығы үшін өте маңызды.
c) Қосылу тиімділігін арттыру
Конусты талшықтар мен режимді түрлендіргіштер біріктірудің жоғары тиімділігіне қол жеткізуге көмектескенімен, шағылысуға қарсы жабындар ауа-материал интерфейсінің шағылыстарын одан әрі жеңілдетеді.
d) Поляризацияның аз шығынды құрамдас бөліктерін жасау
LNOI-дегі поляризацияға сезімтал емес фотоникалық құрылғылар бос кеңістік поляризаторларының өнімділігіне сәйкес келетін құрамдастарды қажет ететін маңызды болып табылады.
e) Басқару электроникасының интеграциясы
Оптикалық өнімділікті төмендетпей кең ауқымды басқару электроникасын тиімді біріктіру зерттеудің негізгі бағыты болып табылады.
f) Жетілдірілген фазалық сәйкестендіру және дисперсиялық инженерия
Микроннан төмен рұқсатта сенімді домен үлгісі сызықты емес оптика үшін өте маңызды, бірақ LNOI платформасында жетілмеген технология болып қала береді.
g) Өндіріс ақауларының орнын толтыру
Қоршаған ортаның өзгеруінен немесе өндірістегі ауытқулардан туындаған фазалық ығысуларды азайту әдістері нақты әлемде қолдану үшін өте маңызды.
h) Тиімді көп чипті муфта
Бірнеше LNOI чиптері арасындағы тиімді байланыстыруды шешу бір вафельді біріктіру шектеулерінен тыс масштабтау үшін қажет.
Белсенді және пассивті компоненттердің монолитті интеграциясы
LNOI PIC үшін негізгі мәселе белсенді және пассивті компоненттерді үнемді монолитті біріктіру болып табылады, мысалы:
- Лазерлер
- Детекторлар
- Толқын ұзындығының сызықты емес түрлендіргіштері
- Модуляторлар
- Мультиплексорлар/демультиплексорлар
Ағымдағы стратегияларға мыналар кіреді:
a) LNOI иондық қоспалары:
Белсенді иондарды белгіленген аймақтарға селективті қоспалау чиптегі жарық көздеріне әкелуі мүмкін.
б) Байланыс және гетерогенді интеграция:
Алдын ала дайындалған пассивті LNOI PIC-терін легирленген LNOI қабаттарымен немесе III-V лазерлерімен байланыстыру балама жолды қамтамасыз етеді.
c) Гибридті белсенді/пассивті LNOI вафли өндірісі:
Инновациялық тәсіл ионды кесу алдында легирленген және қосылмаған LN пластинкаларын байланыстыруды қамтиды, нәтижесінде белсенді және пассивті аймақтары бар LNOI пластиналары пайда болады.
1-суретгибридті біріктірілген белсенді/пассивті PIC концепциясын суреттейді, мұнда бір литографиялық процесс компоненттердің екі түрін де біркелкі теңестіруге және біріктіруге мүмкіндік береді.
Фотодетекторларды біріктіру
Фотодетекторларды LNOI негізіндегі PIC-ге біріктіру толық жұмыс істейтін жүйелерге тағы бір маңызды қадам болып табылады. Екі негізгі әдіс зерттелуде:
а) Гетерогенді интеграция:
Жартылай өткізгіш наноқұрылымдарды LNOI толқын өткізгіштерімен уақытша байланыстыруға болады. Дегенмен, анықтау тиімділігі мен ауқымдылығын жақсарту әлі де қажет.
б) Сызықты емес толқын ұзындығын түрлендіру:
LN сызықтық емес қасиеттері жұмыс толқын ұзындығына қарамастан стандартты кремний фотодетекторларын пайдалануға мүмкіндік беретін толқын өткізгіштер ішінде жиілікті түрлендіруге мүмкіндік береді.
Қорытынды
LNOI технологиясының жылдам дамуы саланы қолданбалардың кең ауқымына қызмет көрсете алатын әмбебап PIC платформасына жақындатады. Бар қиындықтарды шешу және монолитті және детекторлық интеграциядағы инновацияларды алға жылжыту арқылы LNOI негізіндегі PIC-тер телекоммуникация, кванттық ақпарат және зондтау сияқты салаларда төңкеріс жасау мүмкіндігіне ие.
LNOI EIC-тің табысы мен әсеріне сәйкес келетін масштабталатын PIC-тің көптен бергі көзқарасын орындауға уәде береді. Нанкин фотоникалық процесс платформасы және XiaoyaoTech дизайн платформасы сияқты үздіксіз ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстар интеграцияланған фотониканың болашағын қалыптастыруда және технология салаларындағы жаңа мүмкіндіктерді ашуда маңызды болады.
Жіберу уақыты: 18 шілде 2025 ж