Hyrje
I frymëzuar nga suksesi i qarqeve të integruara elektronike (EIC), fusha e qarqeve të integruara fotonike (PIC) ka evoluar që nga fillimi i saj në vitin 1969. Megjithatë, ndryshe nga EIC-të, zhvillimi i një platforme universale të aftë për të mbështetur aplikime të ndryshme fotonike mbetet një sfidë e madhe. Ky artikull eksploron teknologjinë në zhvillim të Lithium Niobate on Insulator (LNOI), e cila është bërë me shpejtësi një zgjidhje premtuese për PIC-të e gjeneratës së ardhshme.
Rritja e Teknologjisë LNOI
Niobati i litiumit (LN) është njohur prej kohësh si një material kyç për aplikimet fotonike. Megjithatë, vetëm me ardhjen e LNOI me film të hollë dhe teknikave të përparuara të prodhimit është zhbllokuar potenciali i tij i plotë. Studiuesit kanë demonstruar me sukses valëpërçues kreshtë me humbje ultra të ulëta dhe mikrorezonatorë me Q ultra të lartë në platformat LNOI [1], duke shënuar një hap të rëndësishëm në fotonikën e integruar.
Avantazhet kryesore të teknologjisë LNOI
- Humbje optike ultra e ulët(deri në 0.01 dB/cm)
- Struktura nanofotonike me cilësi të lartë
- Mbështetje për procese të ndryshme optike jolineare
- Akordueshmëria e integruar elektro-optike (EO)
Proceset optike jolineare në LNOI
Strukturat nanofotonike me performancë të lartë të prodhuara në platformën LNOI mundësojnë realizimin e proceseve optike jolineare kyçe me efikasitet të jashtëzakonshëm dhe fuqi minimale pompimi. Proceset e demonstruara përfshijnë:
- Gjenerata e Dytë Harmonike (SHG)
- Gjenerimi i Frekuencës Shuma (SFG)
- Gjenerimi i Frekuencës së Diferencës (DFG)
- Konvertimi Parametrik Poshtës (PDC)
- Përzierja me Katër Valë (FWM)
Skema të ndryshme të përputhjes së fazave janë zbatuar për të optimizuar këto procese, duke e vendosur LNOI-në si një platformë optike jolineare shumë të gjithanshme.
Pajisje të Integruara të Rregullueshme Elektro-Optikisht
Teknologjia LNOI ka mundësuar gjithashtu zhvillimin e një game të gjerë pajisjesh fotonike të akordueshme aktive dhe pasive, të tilla si:
- Modulatorë optikë me shpejtësi të lartë
- PIC-e shumëfunksionale të rikonfigurueshme
- Krehëra frekuencash të akordueshme
- Sustat mikro-optomekanike
Këto pajisje shfrytëzojnë vetitë e brendshme të EO të niobatit të litiumit për të arritur kontroll të saktë dhe me shpejtësi të lartë të sinjaleve të dritës.
Zbatimet praktike të fotonikës LNOI
PIC-të e bazuara në LNOI tani po përdoren në një numër gjithnjë e në rritje të aplikimeve praktike, duke përfshirë:
- Konvertuesit nga mikrovalë në optikë
- Sensorë optikë
- Spektrometra në çip
- Krehëra me frekuencë optike
- Sisteme të avancuara telekomunikacioni
Këto aplikime demonstrojnë potencialin e LNOI për t'u përputhur me performancën e komponentëve optikë në masë, ndërkohë që ofrojnë zgjidhje të shkallëzueshme dhe me efikasitet energjetik përmes fabrikimit fotolitografik.
Sfidat aktuale dhe drejtimet e ardhshme
Pavarësisht progresit të saj premtues, teknologjia LNOI përballet me disa pengesa teknike:
a) Ulje e mëtejshme e humbjes optike
Humbja aktuale e valëpërçuesit (0.01 dB/cm) është ende një rend madhësie më i lartë se kufiri i absorbimit të materialit. Përparimet në teknikat e prerjes së joneve dhe nanofabrikimin janë të nevojshme për të zvogëluar vrazhdësinë sipërfaqësore dhe defektet që lidhen me absorbimin.
b) Kontroll i përmirësuar i gjeometrisë së valëudhëzuesit
Mundësimi i valëpërçuesve nën 700 nm dhe boshllëqeve të çiftëzimit nën 2 μm pa sakrifikuar përsëritshmërinë ose rritjen e humbjes së përhapjes është thelbësor për një dendësi më të lartë të integrimit.
c) Rritja e Efikasitetit të Lidhjes
Ndërsa fibrat konike dhe konvertuesit e modës ndihmojnë në arritjen e efikasitetit të lartë të çiftëzimit, veshjet anti-reflektuese mund të zbusin më tej reflektimet e ndërfaqes ajër-material.
d) Zhvillimi i Komponentëve të Polarizimit me Humbje të Ulët
Pajisjet fotonike të pandjeshme ndaj polarizimit në LNOI janë thelbësore, duke kërkuar komponentë që përputhen me performancën e polarizuesve të hapësirës së lirë.
e) Integrimi i Elektronikës së Kontrollit
Integrimi efektiv i elektronikës së kontrollit në shkallë të gjerë pa degraduar performancën optike është një drejtim kyç kërkimor.
f) Inxhinieri e Avancuar e Përputhjes së Fazave dhe Shpërndarjes
Modelimi i besueshëm i domenit në rezolucion nën-mikron është jetik për optikën jolineare, por mbetet një teknologji e papjekur në platformën LNOI.
g) Kompensimi për Defektet e Fabrikimit
Teknikat për të zbutur ndërrimet e fazës të shkaktuara nga ndryshimet mjedisore ose variancat e fabrikimit janë thelbësore për vendosjen në botën reale.
h) Lidhje efikase me shumë çipa
Adresimi i çiftëzimit efikas midis çipave të shumëfishtë LNOI është i nevojshëm për të shkallëzuar përtej kufijve të integrimit të një pllake të vetme.
Integrimi Monolit i Komponentëve Aktivë dhe Pasivë
Një sfidë kryesore për PIC-të LNOI është integrimi monolit me kosto efektive i komponentëve aktivë dhe pasivë, siç janë:
- Lazerë
- Detektorë
- Konvertuesit jolinearë të gjatësisë së valës
- Modulatorë
- Multiplekserët/Demultiplekserët
Strategjitë aktuale përfshijnë:
a) Dopingu jonik i LNOI:
Dopimi selektiv i joneve aktive në rajone të caktuara mund të çojë në burime drite në çip.
b) Lidhja dhe Integrimi Heterogjen:
Lidhja e PIC-ve pasive LNOI të parafabrikuara me shtresa LNOI të dopuara ose lazerë III-V ofron një rrugë alternative.
c) Prodhimi i pllakave hibride LNOI aktive/pasive:
Një qasje inovative përfshin lidhjen e pllakave LN të dopuara dhe të padopuara para prerjes së joneve, duke rezultuar në pllaka LNOI me rajone aktive dhe pasive.
Figura 1ilustron konceptin e PIC-ve hibride të integruara aktive/pasive, ku një proces i vetëm litografik mundëson rreshtimin dhe integrimin pa probleme të të dy llojeve të komponentëve.
Integrimi i fotodetektorëve
Integrimi i fotodetektorëve në PIC-të e bazuara në LNOI është një hap tjetër thelbësor drejt sistemeve plotësisht funksionale. Dy qasje kryesore janë nën hetim:
a) Integrimi Heterogjen:
Nanostrukturat gjysmëpërçuese mund të lidhen në mënyrë të përkohshme me valëpërçuesit LNOI. Megjithatë, përmirësimet në efikasitetin e zbulimit dhe shkallëzueshmërinë janë ende të nevojshme.
b) Konvertimi jolinear i gjatësisë së valës:
Vetitë jolineare të LN-së lejojnë konvertimin e frekuencës brenda valëpërçuesve, duke mundësuar përdorimin e fotodetektorëve standardë të silikonit pavarësisht nga gjatësia e valës së funksionimit.
Përfundim
Përparimi i shpejtë i teknologjisë LNOI e sjell industrinë më afër një platforme universale PIC të aftë të shërbejë për një gamë të gjerë aplikimesh. Duke adresuar sfidat ekzistuese dhe duke çuar përpara inovacionet në integrimin monolit dhe të detektorëve, PIC-të e bazuara në LNOI kanë potencialin të revolucionarizojnë fusha si telekomunikacioni, informacioni kuantik dhe sensorët.
LNOI mban premtimin e përmbushjes së vizionit afatgjatë të PIC-ve të shkallëzueshme, duke përputhur suksesin dhe ndikimin e EIC-ve. Përpjekjet e vazhdueshme të kërkim-zhvillimit - të tilla si ato nga Platforma e Procesit Fotonik të Nanjing-ut dhe Platforma e Dizajnit XiaoyaoTech - do të jenë thelbësore në formësimin e së ardhmes së fotonikës së integruar dhe në zhbllokimin e mundësive të reja në të gjitha fushat e teknologjisë.
Koha e postimit: 18 korrik 2025