Уводзіны
Натхнёная поспехам электронных інтэгральных схем (ЭІС), галіна фатонных інтэгральных схем (ФІС) развівалася з моманту свайго стварэння ў 1969 годзе. Аднак, у адрозненне ад ЭІС, распрацоўка універсальнай платформы, здольнай падтрымліваць розныя фатоннічныя прымяненні, застаецца сур'ёзнай праблемай. У гэтым артыкуле разглядаецца новая тэхналогія ніабату літыя на ізалятары (LNOI), якая хутка стала перспектыўным рашэннем для ФІС наступнага пакалення.
Уздым тэхналогіі LNOI
Ніябат літыя (LN) даўно прызнаны ключавым матэрыялам для фатонічных прымяненняў. Аднак толькі з з'яўленнем тонкаплёнкавай LNOI і перадавых тэхналогій вырабу яго поўны патэнцыял быў раскрыты. Даследчыкі паспяхова прадэманстравалі грабянёвыя хваляводы з ультранізкімі стратамі і мікрарэзанатары з ультравысокім Q на платформах LNOI [1], што азначае значны скачок у інтэграванай фатоніцы.
Асноўныя перавагі тэхналогіі LNOI
- Звышнізкія аптычныя страты(да 0,01 дБ/см)
- Высокаякасныя нанафатонныя структуры
- Падтрымка розных нелінейных аптычных працэсаў
- Інтэграваная электрааптычная (ЭА) перабудоўваемасць
Нелінейныя аптычныя працэсы на LNOI
Высокапрадукцыйныя нанафатонныя структуры, вырабленыя на платформе LNOI, дазваляюць рэалізоўваць ключавыя нелінейныя аптычныя працэсы з выдатнай эфектыўнасцю і мінімальнай магутнасцю накачкі. Дэманстраваныя працэсы ўключаюць:
- Генерацыя другой гармонікі (ГДГ)
- Генерацыя сумарнай частаты (SFG)
- Генерацыя рознасці частот (DFG)
- Параметрычнае пераўтварэнне з паніжэннем частаты (PDC)
- Чатыроххвалевае змешванне (FWM)
Для аптымізацыі гэтых працэсаў былі рэалізаваны розныя схемы фазавага ўзгаднення, што зрабіла LNOI вельмі універсальнай нелінейнай аптычнай платформай.
Электрааптычна настройваемыя інтэграваныя прылады
Тэхналогія LNOI таксама дазволіла распрацаваць шырокі спектр актыўных і пасіўных настроўваемых фатонных прылад, такіх як:
- Высокахуткасныя аптычныя мадулятары
- Рэканфігуруемыя шматфункцыянальныя PIC
- Наладжвальныя частотныя грабянцы
- Мікраоптамеханічныя спружыны
Гэтыя прылады выкарыстоўваюць уласцівасці ніабата літыя, якія залежаць ад эфірнага золата, для дасягнення дакладнага і хуткаснага кіравання светлавымі сігналамі.
Практычнае прымяненне фатонікі LNOI
PIC на аснове LNOI зараз выкарыстоўваюцца ва ўсё большай колькасці практычных ужыванняў, у тым ліку:
- Мікрахвалевыя пераўтваральнікі ў аптычныя
- Аптычныя датчыкі
- Убудаваныя спектрометры
- Аптычныя частотныя грабянцы
- Сучасныя тэлекамунікацыйныя сістэмы
Гэтыя прымянення дэманструюць патэнцыял LNOI для дасягнення патэнцыйнай эфектыўнасці кампанентаў аб'ёмнай аптыкі, прапаноўваючы маштабуемыя і энергаэфектыўныя рашэнні дзякуючы фоталітаграфічнаму вырабу.
Бягучыя праблемы і будучыя напрамкі
Нягледзячы на шматабяцальны прагрэс, тэхналогія LNOI сутыкаецца з некалькімі тэхнічнымі перашкодамі:
а) Далейшае зніжэнне аптычных страт
Страты току ў хваляводзе (0,01 дБ/см) усё яшчэ на парадак вышэйшыя за мяжу паглынання матэрыялам. Для памяншэння шурпатасці паверхні і дэфектаў, звязаных з паглынаннем, неабходны прагрэс у тэхніцы іённага зрэзу і нанавытворчасці.
б) Палепшанае кіраванне геаметрыяй хвалявода
Забеспячэнне выкарыстання хваляводаў з даўжынёй хвалі менш за 700 нм і злучальных прамежкаў менш за 2 мкм без страты паўтаральнасці або павелічэння страт распаўсюджвання мае вырашальнае значэнне для больш высокай шчыльнасці інтэграцыі.
c) Павышэнне эфектыўнасці счаплення
У той час як канічныя валокны і пераўтваральнікі мод дапамагаюць дасягнуць высокай эфектыўнасці сувязі, антыблікавыя пакрыцці могуць яшчэ больш паменшыць адлюстраванні на мяжы паміж паветрам і матэрыялам.
г) Распрацоўка кампанентаў палярызацыі з нізкімі стратамі
Фатоннія прылады на LNOI, неадчувальныя да палярызацыі, маюць важнае значэнне і патрабуюць кампанентаў, якія адпавядаюць прадукцыйнасці палярызатараў у вольнай прасторы.
e) Інтэграцыя кіруючай электронікі
Эфектыўная інтэграцыя буйнамаштабнай кіруючай электронікі без пагаршэння аптычных характарыстык з'яўляецца ключавым напрамкам даследаванняў.
f) Пашыранае ўзгадненне фаз і дысперсійная інжынерыя
Надзейнае фарміраванне шаблонаў даменаў з субмікронным дазволам жыццёва важна для нелінейнай оптыкі, але застаецца недастаткова развітай тэхналогіяй на платформе LNOI.
g) Кампенсацыя за дэфекты вырабу
Метады памяншэння фазавых зрухаў, выкліканых зменамі навакольнага асяроддзя або адхіленнямі ў вытворчасці, маюць важнае значэнне для рэальнага разгортвання.
h) Эфектыўнае шматчыпавае злучэнне
Для маштабавання за межы інтэграцыі адной пласціны неабходна вырашыць праблему эфектыўнай сувязі паміж некалькімі чыпамі LNOI.
Маналітная інтэграцыя актыўных і пасіўных кампанентаў
Асноўнай праблемай для PIC з LNOI з'яўляецца эканамічна эфектыўная маналітная інтэграцыя актыўных і пасіўных кампанентаў, такіх як:
- Лазеры
- Дэтэктары
- Нелінейныя пераўтваральнікі даўжынь хваль
- Мадулятары
- Мультыплексары/дэмультыплексары
Бягучыя стратэгіі ўключаюць:
а) Іённае легіраванне LNOI:
Селектыўнае легіраванне актыўнымі іонамі пазначаных участкаў можа прывесці да стварэння крыніц святла на чыпе.
б) Звязванне і гетэрагенная інтэграцыя:
Злучэнне загадзя вырабленых пасіўных LNOI PIC з легаванымі пластамі LNOI або III-V лазерамі прапануе альтэрнатыўны шлях.
c) Выраб гібрыдных актыўных/пасіўных пласцін LNOI:
Інавацыйны падыход прадугледжвае злучэнне легаваных і нелегаваных пласцін LN перад іённай нарэзкай, што прыводзіць да атрымання пласцін LNOI як з актыўнымі, так і з пасіўнымі абласцямі.
Малюнак 1ілюструе канцэпцыю гібрыдных інтэграваных актыўных/пасіўных PIC, дзе адзіны літаграфічны працэс дазваляе бесперашкодна выраўноўваць і інтэграваць абодва тыпы кампанентаў.
Інтэграцыя фотадэтэктараў
Інтэграцыя фотадэтэктараў у PIC на аснове LNOI — яшчэ адзін важны крок да паўнафункцыянальных сістэм. У цяперашні час вывучаюцца два асноўныя падыходы:
а) Гетэрагенная інтэграцыя:
Паўправадніковыя нанаструктуры могуць быць часова злучаныя з хваляводамі LNOI. Аднак павышэнне эфектыўнасці дэтэктавання і маштабаванасці ўсё яшчэ патрабуецца.
б) Нелінейнае пераўтварэнне даўжыні хвалі:
Нелінейныя ўласцівасці лінейнага канала дазваляюць пераўтвараць частату ўнутры хваляводаў, што дазваляе выкарыстоўваць стандартныя крэмніевыя фотадэтэктары незалежна ад працоўнай даўжыні хвалі.
Выснова
Хуткае развіццё тэхналогіі LNOI набліжае галіну да ўніверсальнай платформы PIC, здольнай абслугоўваць шырокі спектр прымяненняў. Вырашаючы існуючыя праблемы і прасоўваючы інавацыі ў маналітнай інтэграцыі і інтэграцыі дэтэктараў, PIC на аснове LNOI маюць патэнцыял для рэвалюцыі ў такіх галінах, як тэлекамунікацыі, квантавая інфармацыя і датчыкі.
LNOI абяцае рэалізаваць даўнюю ідэю маштабуемых PIC, што адпавядае поспеху і ўплыву EIC. Пастаянныя навукова-даследчыя і распрацоўчыя намаганні, такія як Нанкінская платформа працэсаў фатонікі і Платформа праектавання XiaoyaoTech, будуць мець вырашальнае значэнне ў фарміраванні будучыні інтэграванай фатонікі і адкрыцці новых магчымасцей у розных тэхналагічных галінах.
Час публікацыі: 18 ліпеня 2025 г.