Ynlieding
Ynspirearre troch it súkses fan elektroanyske yntegreare circuits (EIC's), is it fjild fan fotonyske yntegreare circuits (PIC's) sûnt syn oprjochting yn 1969 yn ûntwikkeling. Yn tsjinstelling ta EIC's bliuwt de ûntwikkeling fan in universeel platfoarm dat ferskate fotonyske tapassingen kin stypje in grutte útdaging. Dit artikel ûndersiket de opkommende Lithium Niobate on Insulator (LNOI) technology, dy't rap in beloftefolle oplossing wurden is foar PIC's fan 'e folgjende generaasje.
De opkomst fan LNOI-technology
Litiumniobat (LN) is al lang erkend as in wichtich materiaal foar fotonyske tapassingen. Mar pas mei de komst fan tinne-film LNOI en avansearre fabrikaazjetechniken is syn folsleine potinsjeel ûntslein. Undersykers hawwe mei súkses ultra-leech-ferlies ridge-golflieders en ultra-hege-Q mikroresonators op LNOI-platfoarms demonstrearre [1], wat in wichtige sprong markeart yn yntegreare fotonika.
Wichtige foardielen fan LNOI-technology
- Ultra-leech optysk ferlies(sa leech as 0,01 dB/cm)
- Nanofotonyske struktueren fan hege kwaliteit
- Stipe foar ferskate net-lineare optyske prosessen
- Yntegreare elektro-optyske (EO) ôfstimmberens
Net-lineare optyske prosessen op LNOI
Heechprestaasjes nanofotonyske struktueren makke op it LNOI-platfoarm meitsje de realisaasje fan wichtige net-lineare optyske prosessen mooglik mei opmerklike effisjinsje en minimale pompkrêft. Demonstrearre prosessen omfetsje:
- Twadde Harmonyske Generaasje (SHG)
- Somfrekwinsjegeneraasje (SFG)
- Ferskilfrekwinsjegeneraasje (DFG)
- Parametryske Down-Conversion (PDC)
- Fjouwer-weachmixing (FWM)
Ferskate faze-oanpassingsskema's binne ymplementearre om dizze prosessen te optimalisearjen, wêrtroch LNOI in heul alsidich net-lineair optysk platfoarm is.
Elektro-optysk ôfstimmbere yntegreare apparaten
LNOI-technology hat ek de ûntwikkeling mooglik makke fan in breed oanbod fan aktive en passive ôfstimmbere fotonyske apparaten, lykas:
- Hege-snelheid optyske modulators
- Herkonfigurearbere multifunksjonele PIC's
- Ynstelbere frekwinsjekammen
- Mikro-optomechanyske springen
Dizze apparaten brûke de yntrinsike EO-eigenskippen fan lithium niobaat om krekte, hege-snelheidskontrôle fan ljochtsignalen te berikken.
Praktyske tapassingen fan LNOI-fotonika
LNOI-basearre PIC's wurde no oannaam yn in groeiend oantal praktyske tapassingen, ynklusyf:
- Mikrogolf-nei-optyske omsetters
- Optyske sensoren
- Spektrometers op chip
- Optyske frekwinsjekammen
- Avansearre telekommunikaasjesystemen
Dizze tapassingen demonstrearje it potinsjeel fan LNOI om de prestaasjes fan bulk-optyske komponinten te evenarjen, wylst se skalberbere, enerzjysunige oplossingen oanbiede fia fotolitografyske fabrikaazje.
Hjoeddeiske útdagings en takomstige rjochtingen
Nettsjinsteande syn beloftefolle foarútgong stiet LNOI-technology foar ferskate technyske obstakels:
a) Fierdere fermindering fan optysk ferlies
Ferlies fan 'e stroomgolflieder (0,01 dB/cm) is noch altyd in oarder fan grutte heger as de absorpsjelimyt fan it materiaal. Foarútgong yn ion-slicing-techniken en nanofabrication is nedich om oerflakrûchheid en absorpsje-relatearre defekten te ferminderjen.
b) Ferbettere kontrôle fan golfliedergeometry
It mooglik meitsjen fan golflieders ûnder 700 nm en koppelingsgatten ûnder 2 μm sûnder werhellberens op te offerjen of ferspriedingsferlies te fergrutsjen is krúsjaal foar in hegere yntegraasjetichtens.
c) Ferbetterjen fan koppelingseffisjinsje
Wylst tapse fezels en modusconverters helpe om hege koppelingseffisjinsje te berikken, kinne anty-refleksjecoatings de refleksjes fan loft-materiaal-ynterface fierder ferminderje.
d) Untwikkeling fan polarisaasjekomponinten mei leech ferlies
Polarisaasje-ûngefoelige fotonyske apparaten op LNOI binne essensjeel, en fereaskje komponinten dy't oerienkomme mei de prestaasjes fan frije-romte-polarisatoren.
e) Yntegraasje fan kontrôle-elektronika
It effektyf yntegrearjen fan grutskalige kontrôle-elektronika sûnder de optyske prestaasjes te ferleegjen is in wichtige ûndersyksrjochting.
f) Avansearre faze-oanpassing en ferspriedingstechnyk
Betroubere domeinpatroaning mei submikronresolúsje is essensjeel foar net-lineare optyk, mar bliuwt in ûnrype technology op it LNOI-platfoarm.
g) Kompensaasje foar fabrikaazjefouten
Techniken om fazeferskowingen feroarsake troch miljeuferoarings of fabrikaazjefarianten te ferminderjen binne essensjeel foar ynset yn 'e echte wrâld.
h) Effisjinte Multi-Chip-koppeling
It oanpakken fan effisjinte koppeling tusken meardere LNOI-chips is needsaaklik om te skaaljen fierder as de yntegraasjegrinzen fan inkele wafers.
Monolityske yntegraasje fan aktive en passive komponinten
In kearnútdaging foar LNOI PIC's is de kosten-effektive monolityske yntegraasje fan aktive en passive komponinten lykas:
- Lasers
- Detektors
- Net-lineêre golflingte-omsetters
- Modulatoren
- Multiplexers/Demultiplexers
Hjoeddeiske strategyen omfetsje:
a) Ionendoping fan LNOI:
Selektive doping fan aktive ioanen yn oanwiisde regio's kin liede ta ljochtboarnen op 'e chip.
b) Binding en heterogene yntegraasje:
It bonden fan foarfabrikearre passive LNOI PIC's mei dopearre LNOI-lagen of III-V-lasers biedt in alternatyf paad.
c) Hybride aktive/passive LNOI-waferfabrikaasje:
In ynnovative oanpak omfettet it bonden fan dotearre en net-dotearre LN-wafers foar it ionen snijden, wat resulteart yn LNOI-wafers mei sawol aktive as passive regio's.
Figuer 1yllustrearret it konsept fan hybride yntegreare aktive/passive PIC's, wêrby't ien litografysk proses in naadleaze ôfstimming en yntegraasje fan beide soarten komponinten mooglik makket.
Yntegraasje fan fotodetektors
It yntegrearjen fan fotodetektors yn LNOI-basearre PIC's is in oare krúsjale stap nei folslein funksjonele systemen. Twa primêre oanpakken wurde ûndersocht:
a) Heterogene yntegraasje:
Healgelieder-nanostrukturen kinne tydlik keppele wurde oan LNOI-golflieders. Ferbetteringen yn deteksje-effisjinsje en skalberens binne lykwols noch nedich.
b) Net-lineare golflingtekonverzje:
De net-lineare eigenskippen fan LN meitsje frekwinsjekonverzje binnen golflieders mooglik, wêrtroch't standert silikonfotodetektors brûkt wurde kinne, ûnôfhinklik fan 'e wurkgolflingte.
Konklúzje
De rappe foarútgong fan LNOI-technology bringt de yndustry tichter by in universeel PIC-platfoarm dat in breed skala oan tapassingen kin tsjinje. Troch besteande útdagings oan te pakken en ynnovaasjes yn monolityske en detektoryntegraasje foarút te helpen, hawwe LNOI-basearre PIC's de potinsje om fjilden lykas telekommunikaasje, kwantumynformaasje en sensoren te revolúsjonearjen.
LNOI hat de belofte om de lang besteande fisy fan skalberbere PIC's te ferfoljen, en oerien te kommen mei it súkses en de ynfloed fan EIC's. Trochgeande R&D-ynspanningen - lykas dy fan it Nanjing Photonics Process Platform en XiaoyaoTech Design Platform - sille krúsjaal wêze by it foarmjaan fan 'e takomst fan yntegreare fotonika en it ûntsluten fan nije mooglikheden oer technologydomeinen.
Pleatsingstiid: 18 july 2025