Εισαγωγή
Εμπνευσμένος από την επιτυχία των ηλεκτρονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (EIC), ο τομέας των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (PIC) εξελίσσεται από την έναρξή του το 1969. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα EIC, η ανάπτυξη μιας καθολικής πλατφόρμας ικανής να υποστηρίξει ποικίλες φωτονικές εφαρμογές παραμένει μια σημαντική πρόκληση. Αυτό το άρθρο διερευνά την αναδυόμενη τεχνολογία νιοβικού λιθίου σε μονωτή (LNOI), η οποία έχει γίνει γρήγορα μια πολλά υποσχόμενη λύση για τα PIC επόμενης γενιάς.
Η άνοδος της τεχνολογίας LNOI
Το νιοβικό λίθιο (LN) έχει αναγνωριστεί εδώ και καιρό ως βασικό υλικό για φωτονικές εφαρμογές. Ωστόσο, μόνο με την έλευση του LNOI λεπτής μεμβράνης και τις προηγμένες τεχνικές κατασκευής έχει ξεκλειδωθεί πλήρως το δυναμικό του. Οι ερευνητές έχουν επιδείξει με επιτυχία κυματοδηγούς κορυφογραμμής εξαιρετικά χαμηλών απωλειών και μικροσυντονιστές εξαιρετικά υψηλού Q σε πλατφόρμες LNOI [1], σηματοδοτώντας ένα σημαντικό άλμα στην ολοκληρωμένη φωτονική.
Βασικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας LNOI
- Εξαιρετικά χαμηλή οπτική απώλεια(μόλις 0,01 dB/cm)
- Νανοφωτονικές δομές υψηλής ποιότητας
- Υποστήριξη για ποικίλες μη γραμμικές οπτικές διεργασίες
- Ολοκληρωμένη ηλεκτροοπτική (EO) δυνατότητα συντονισμού
Μη γραμμικές οπτικές διεργασίες σε LNOI
Οι νανοφωτονικές δομές υψηλής απόδοσης που κατασκευάζονται στην πλατφόρμα LNOI επιτρέπουν την υλοποίηση βασικών μη γραμμικών οπτικών διεργασιών με αξιοσημείωτη απόδοση και ελάχιστη ισχύ άντλησης. Οι αποδεδειγμένες διεργασίες περιλαμβάνουν:
- Δεύτερη Αρμονική Γενιά (SHG)
- Δημιουργία Συχνότητας Άθροισης (SFG)
- Δημιουργία Διαφορικής Συχνότητας (DFG)
- Παραμετρική Μετατροπή προς τα κάτω (PDC)
- Μίξη Τεσσάρων Κυμάτων (FWM)
Διάφορα σχήματα αντιστοίχισης φάσεων έχουν εφαρμοστεί για τη βελτιστοποίηση αυτών των διεργασιών, καθιερώνοντας το LNOI ως μια εξαιρετικά ευέλικτη μη γραμμική οπτική πλατφόρμα.
Ηλεκτροοπτικά ρυθμιζόμενες ολοκληρωμένες συσκευές
Η τεχνολογία LNOI έχει επίσης επιτρέψει την ανάπτυξη ενός ευρέος φάσματος ενεργών και παθητικών ρυθμιζόμενων φωτονικών συσκευών, όπως:
- Οπτικοί διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας
- Αναδιαμορφώσιμες πολυλειτουργικές κάρτες PIC
- Ρυθμιζόμενες χτένες συχνότητας
- Μικροοπτομηχανικά ελατήρια
Αυτές οι συσκευές αξιοποιούν τις εγγενείς ιδιότητες EO του νιοβικού λιθίου για να επιτύχουν ακριβή, υψηλής ταχύτητας έλεγχο των φωτεινών σημάτων.
Πρακτικές Εφαρμογές της Φωτονικής LNOI
Τα PIC που βασίζονται σε LNOI υιοθετούνται πλέον σε έναν αυξανόμενο αριθμό πρακτικών εφαρμογών, όπως:
- Μετατροπείς μικροκυμάτων σε οπτικό
- Οπτικοί αισθητήρες
- Φασματογράφοι ενσωματωμένοι στο τσιπ
- Χτένες οπτικής συχνότητας
- Προηγμένα συστήματα τηλεπικοινωνιών
Αυτές οι εφαρμογές καταδεικνύουν τη δυνατότητα του LNOI να φτάσει την απόδοση των εξαρτημάτων μαζικής οπτικής, προσφέροντας παράλληλα κλιμακούμενες, ενεργειακά αποδοτικές λύσεις μέσω φωτολιθογραφικής κατασκευής.
Τρέχουσες Προκλήσεις και Μελλοντικές Κατευθύνσεις
Παρά την πολλά υποσχόμενη πρόοδό της, η τεχνολογία LNOI αντιμετωπίζει αρκετά τεχνικά εμπόδια:
α) Περαιτέρω μείωση της οπτικής απώλειας
Η τρέχουσα απώλεια κυματοδηγού (0,01 dB/cm) εξακολουθεί να είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από το όριο απορρόφησης του υλικού. Απαιτούνται πρόοδοι στις τεχνικές τεμαχισμού ιόντων και στη νανοκατασκευή για τη μείωση της τραχύτητας της επιφάνειας και των ελαττωμάτων που σχετίζονται με την απορρόφηση.
β) Βελτιωμένος έλεγχος γεωμετρίας κυματοδηγού
Η ενεργοποίηση κυματοδηγών κάτω των 700 nm και κενών σύζευξης κάτω των 2 μm χωρίς να θυσιάζεται η επαναληψιμότητα ή να αυξάνεται η απώλεια διάδοσης είναι ζωτικής σημασίας για υψηλότερη πυκνότητα ολοκλήρωσης.
γ) Βελτίωση της απόδοσης της ζεύξης
Ενώ οι κωνικές ίνες και οι μετατροπείς τρόπου λειτουργίας βοηθούν στην επίτευξη υψηλής απόδοσης σύζευξης, οι αντιανακλαστικές επιστρώσεις μπορούν να μετριάσουν περαιτέρω τις ανακλάσεις της διεπαφής αέρα-υλικού.
δ) Ανάπτυξη Στοιχείων Πόλωσης Χαμηλών Απωλειών
Οι φωτονικές συσκευές που δεν είναι ευαίσθητες στην πόλωση σε LNOI είναι απαραίτητες, απαιτώντας εξαρτήματα που ταιριάζουν με την απόδοση των πολωτών ελεύθερου χώρου.
ε) Ενσωμάτωση Ηλεκτρονικών Ελέγχου
Η αποτελεσματική ενσωμάτωση ηλεκτρονικών ελέγχου μεγάλης κλίμακας χωρίς υποβάθμιση της οπτικής απόδοσης αποτελεί βασική ερευνητική κατεύθυνση.
στ) Προηγμένη Μηχανική Ταύτισης Φάσεων και Διασποράς
Η αξιόπιστη δημιουργία σχηματομορφών τομέα σε ανάλυση υπομικρών είναι ζωτικής σημασίας για τα μη γραμμικά οπτικά, αλλά παραμένει μια ανώριμη τεχνολογία στην πλατφόρμα LNOI.
ζ) Αποζημίωση για κατασκευαστικά ελαττώματα
Οι τεχνικές για τον μετριασμό των μετατοπίσεων φάσης που προκαλούνται από περιβαλλοντικές αλλαγές ή διακυμάνσεις στην κατασκευή είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη σε πραγματικό κόσμο.
η) Αποδοτική σύνδεση πολλαπλών τσιπ
Η αντιμετώπιση της αποτελεσματικής σύζευξης μεταξύ πολλαπλών τσιπ LNOI είναι απαραίτητη για την κλιμάκωση πέρα από τα όρια ολοκλήρωσης ενός μόνο πλακιδίου.
Μονολιθική Ενσωμάτωση Ενεργητικών και Παθητικών Συνιστωσών
Μια βασική πρόκληση για τα LNOI PICs είναι η οικονομικά αποδοτική μονολιθική ενσωμάτωση ενεργών και παθητικών στοιχείων όπως:
- Λέιζερ
- Ανιχνευτές
- Μη γραμμικοί μετατροπείς μήκους κύματος
- Διαμορφωτές
- Πολυπλέκτες/Αποπολυπλέξεις
Οι τρέχουσες στρατηγικές περιλαμβάνουν:
α) Ιοντική πρόσμιξη του LNOI:
Η επιλεκτική πρόσμιξη ενεργών ιόντων σε καθορισμένες περιοχές μπορεί να οδηγήσει σε πηγές φωτός επί του τσιπ.
β) Δεσμός και Ετερογενής Ολοκλήρωση:
Η συγκόλληση προκατασκευασμένων παθητικών PIC LNOI με προσμιγμένα στρώματα LNOI ή λέιζερ III-V παρέχει μια εναλλακτική οδό.
γ) Υβριδική κατασκευή ενεργών/παθητικών πλακιδίων LNOI:
Μια καινοτόμος προσέγγιση περιλαμβάνει τη σύνδεση ντοπαρισμένων και μη ντοπαρισμένων πλακιδίων LN πριν από την τεμαχισμό ιόντων, με αποτέλεσμα πλακίδια LNOI με ενεργές και παθητικές περιοχές.
Σχήμα 1απεικονίζει την έννοια των υβριδικών ολοκληρωμένων ενεργών/παθητικών PIC, όπου μια ενιαία λιθογραφική διαδικασία επιτρέπει την απρόσκοπτη ευθυγράμμιση και ενσωμάτωση και των δύο τύπων εξαρτημάτων.
Ενσωμάτωση φωτοανιχνευτών
Η ενσωμάτωση φωτοανιχνευτών σε PIC που βασίζονται σε LNOI είναι ένα ακόμη κρίσιμο βήμα προς την κατεύθυνση πλήρως λειτουργικών συστημάτων. Δύο κύριες προσεγγίσεις βρίσκονται υπό διερεύνηση:
α) Ετερογενής Ολοκλήρωση:
Οι ημιαγωγικές νανοδομές μπορούν να συνδεθούν παροδικά με κυματοδηγούς LNOI. Ωστόσο, εξακολουθούν να απαιτούνται βελτιώσεις στην αποτελεσματικότητα ανίχνευσης και την επεκτασιμότητα.
β) Μη γραμμική μετατροπή μήκους κύματος:
Οι μη γραμμικές ιδιότητες του LN επιτρέπουν τη μετατροπή συχνότητας εντός κυματοδηγών, επιτρέποντας τη χρήση τυπικών φωτοανιχνευτών πυριτίου ανεξάρτητα από το μήκος κύματος λειτουργίας.
Σύναψη
Η ραγδαία πρόοδος της τεχνολογίας LNOI φέρνει τη βιομηχανία πιο κοντά σε μια καθολική πλατφόρμα PIC ικανή να εξυπηρετήσει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Αντιμετωπίζοντας τις υπάρχουσες προκλήσεις και προωθώντας καινοτομίες στην μονολιθική ενσωμάτωση και την ενσωμάτωση ανιχνευτών, τα PIC που βασίζονται σε LNOI έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση σε τομείς όπως οι τηλεπικοινωνίες, οι κβαντικές πληροφορίες και η ανίχνευση.
Το LNOI υπόσχεται να εκπληρώσει το μακροχρόνιο όραμα των κλιμακωτών PIC, ανταποκρινόμενο στην επιτυχία και τον αντίκτυπο των EIC. Οι συνεχιζόμενες προσπάθειες Έρευνας και Ανάπτυξης —όπως αυτές από την Nanjing Photonics Process Platform και την XiaoyaoTech Design Platform— θα είναι καθοριστικές στη διαμόρφωση του μέλλοντος της ολοκληρωμένης φωτονικής και στην απελευθέρωση νέων δυνατοτήτων σε όλους τους τεχνολογικούς τομείς.
Ώρα δημοσίευσης: 18 Ιουλίου 2025