Introducere
Inspirat de succesul circuitelor integrate electronice (EIC), domeniul circuitelor integrate fotonice (PIC) a evoluat încă de la înființarea sa în 1969. Cu toate acestea, spre deosebire de EIC, dezvoltarea unei platforme universale capabile să suporte diverse aplicații fotonice rămâne o provocare majoră. Acest articol explorează tehnologia emergentă a niobatului de litiu pe izolator (LNOI), care a devenit rapid o soluție promițătoare pentru PIC-urile de generație următoare.
Ascensiunea tehnologiei LNOI
Niobatul de litiu (LN) este recunoscut de mult timp ca un material cheie pentru aplicațiile fotonice. Cu toate acestea, abia odată cu apariția LNOI cu peliculă subțire și a tehnicilor avansate de fabricație, întregul său potențial a fost deblocat. Cercetătorii au demonstrat cu succes ghiduri de undă de creste cu pierderi ultra-scăzute și microrezonatoare cu Q ultra-înalt pe platforme LNOI [1], marcând un salt semnificativ în fotonica integrată.
Avantajele cheie ale tehnologiei LNOI
- Pierdere optică ultra-redusă(de până la 0,01 dB/cm)
- Structuri nanofotonice de înaltă calitate
- Suport pentru diverse procese optice neliniare
- Reglabilitate electro-optică (EO) integrată
Procese optice neliniare pe LNOI
Structurile nanofotonice de înaltă performanță fabricate pe platforma LNOI permit realizarea unor procese optice neliniare cheie cu o eficiență remarcabilă și o putere de pompare minimă. Procesele demonstrate includ:
- A doua generație armonică (SHG)
- Generarea frecvenței sumare (SFG)
- Generarea de frecvență diferențială (DFG)
- Conversie parametrică descendentă (PDC)
- Amestecare în patru unde (FWM)
Diverse scheme de potrivire a fazelor au fost implementate pentru a optimiza aceste procese, stabilind LNOI ca o platformă optică neliniară extrem de versatilă.
Dispozitive integrate reglabile electro-optic
Tehnologia LNOI a permis, de asemenea, dezvoltarea unei game largi de dispozitive fotonice reglabile active și pasive, cum ar fi:
- Modulatoare optice de mare viteză
- PIC-uri multifuncționale reconfigurabile
- Piepteni de frecvență reglabili
- Arcuri micro-optomecanice
Aceste dispozitive valorifică proprietățile intrinseci EO ale niobatului de litiu pentru a obține un control precis și de mare viteză al semnalelor luminoase.
Aplicații practice ale fotonicii LNOI
PIC-urile bazate pe LNOI sunt adoptate acum într-un număr tot mai mare de aplicații practice, inclusiv:
- Convertoare microunde-optic
- Senzori optici
- Spectrometre pe cip
- Piepteni de frecvență optică
- Sisteme avansate de telecomunicații
Aceste aplicații demonstrează potențialul LNOI de a egala performanța componentelor optice în vrac, oferind în același timp soluții scalabile și eficiente din punct de vedere energetic prin fabricație fotolitografică.
Provocări actuale și direcții viitoare
În ciuda progreselor sale promițătoare, tehnologia LNOI se confruntă cu mai multe obstacole tehnice:
a) Reducerea suplimentară a pierderilor optice
Pierderea de curent în ghidul de undă (0,01 dB/cm) este încă cu un ordin de mărime mai mare decât limita de absorbție a materialului. Sunt necesare progrese în tehnicile de tăiere a ionilor și nanofabricare pentru a reduce rugozitatea suprafeței și defectele legate de absorbție.
b) Control îmbunătățit al geometriei ghidului de undă
Activarea ghidurilor de undă sub 700 nm și a intervalelor de cuplare sub 2 μm fără a sacrifica repetabilitatea sau a crește pierderile de propagare este crucială pentru o densitate de integrare mai mare.
c) Îmbunătățirea eficienței cuplajului
În timp ce fibrele conice și convertoarele de mod ajută la obținerea unei eficiențe ridicate de cuplare, acoperirile antireflexie pot atenua și mai mult reflexiile de la interfața aer-material.
d) Dezvoltarea componentelor de polarizare cu pierderi reduse
Dispozitivele fotonice insensibile la polarizare pe LNOI sunt esențiale, necesitând componente care să corespundă performanțelor polarizatoarelor în spațiu liber.
e) Integrarea electronicii de control
Integrarea eficientă a electronicii de control la scară largă fără degradarea performanței optice este o direcție cheie de cercetare.
f) Inginerie avansată de potrivire a fazelor și dispersie
Modelarea fiabilă a domeniilor la rezoluție submicronică este vitală pentru optica neliniară, dar rămâne o tehnologie imatură pe platforma LNOI.
g) Despăgubiri pentru defecte de fabricație
Tehnicile de atenuare a schimbărilor de fază cauzate de schimbările de mediu sau de variațiile de fabricație sunt esențiale pentru implementarea în lumea reală.
h) Cuplare eficientă multi-cip
Abordarea cuplajului eficient între mai multe cipuri LNOI este necesară pentru a scala dincolo de limitele de integrare a unei singure plachete.
Integrare monolitică a componentelor active și pasive
O provocare principală pentru PIC-urile LNOI este integrarea monolitică eficientă din punct de vedere al costurilor a componentelor active și pasive, cum ar fi:
- Lasere
- Detectoare
- Convertoare de lungime de undă neliniare
- Modulatoare
- Multiplexoare/Demultiplexoare
Strategiile actuale includ:
a) Doparea ionică a LNOI:
Dopajul selectiv al ionilor activi în regiuni desemnate poate duce la surse de lumină on-chip.
b) Legături și integrare eterogenă:
Lipirea PIC-urilor LNOI pasive prefabricate cu straturi LNOI dopate sau lasere III-V oferă o cale alternativă.
c) Fabricarea de plachete LNOI hibride active/pasive:
O abordare inovatoare implică legarea napolitanelor LN dopate și nedopate înainte de felierea ionilor, rezultând napolitane LNOI cu regiuni atât active, cât și pasive.
Figura 1ilustrează conceptul de PIC-uri hibride integrate activ/pasive, unde un singur proces litografic permite alinierea și integrarea perfectă a ambelor tipuri de componente.
Integrarea fotodetectorilor
Integrarea fotodetectoarelor în PIC-uri bazate pe LNOI este un alt pas crucial către sisteme complet funcționale. Două abordări principale sunt în curs de investigare:
a) Integrare eterogenă:
Nanostructurile semiconductoare pot fi cuplate tranzitoriu la ghiduri de undă LNOI. Cu toate acestea, sunt încă necesare îmbunătățiri ale eficienței detecției și scalabilității.
b) Conversia neliniară a lungimii de undă:
Proprietățile neliniare ale LN permit conversia frecvenței în cadrul ghidurilor de undă, permițând utilizarea fotodetectorilor standard din siliciu, indiferent de lungimea de undă de funcționare.
Concluzie
Avansul rapid al tehnologiei LNOI aduce industria mai aproape de o platformă PIC universală capabilă să deservească o gamă largă de aplicații. Prin abordarea provocărilor existente și promovarea inovațiilor în integrarea monolitică și a detectoarelor, PIC-urile bazate pe LNOI au potențialul de a revoluționa domenii precum telecomunicațiile, informația cuantică și detectarea.
LNOI promite îndeplinirea viziunii de lungă durată a PIC-urilor scalabile, egalând succesul și impactul EIC-urilor. Eforturile continue de cercetare și dezvoltare - cum ar fi cele ale Platformei de Proces Fotonic Nanjing și ale Platformei de Design XiaoyaoTech - vor fi esențiale în conturarea viitorului fotonicii integrate și în deblocarea de noi posibilități în domeniile tehnologice.
Data publicării: 18 iulie 2025