Introduktion
Inspirerat av framgången med elektroniska integrerade kretsar (EIC) har området fotoniska integrerade kretsar (PIC) utvecklats sedan starten 1969. Till skillnad från EIC är dock utvecklingen av en universell plattform som kan stödja en mängd olika fotoniska tillämpningar fortfarande en stor utmaning. Denna artikel utforskar den framväxande litiumniobat-på-isolator-tekniken (LNOI), som snabbt har blivit en lovande lösning för nästa generations PIC.
LNOI-teknikens uppgång
Litiumniobat (LN) har länge varit erkänt som ett viktigt material för fotoniska tillämpningar. Det är dock först med tillkomsten av tunnfilms-LNOI och avancerade tillverkningstekniker som dess fulla potential har frigjorts. Forskare har framgångsrikt demonstrerat åsvågledare med ultralåg förlust och mikroresonatorer med ultrahög Q på LNOI-plattformar [1], vilket markerar ett betydande språng inom integrerad fotonik.
Viktiga fördelar med LNOI-teknik
- Ultralåg optisk förlust(så lågt som 0,01 dB/cm)
- Högkvalitativa nanofotoniska strukturer
- Stöd för olika ickelinjära optiska processer
- Integrerad elektrooptisk (EO) avstämbarhet
Icke-linjära optiska processer på LNOI
Högpresterande nanofotoniska strukturer tillverkade på LNOI-plattformen möjliggör realisering av viktiga ickelinjära optiska processer med anmärkningsvärd effektivitet och minimal pumpkraft. Demonstrerade processer inkluderar:
- Andra harmoniska generationen (SHG)
- Summafrekvensgenerering (SFG)
- Differensfrekvensgenerering (DFG)
- Parametrisk nedkonvertering (PDC)
- Fyrvågsmixning (FWM)
Olika fasmatchningsscheman har implementerats för att optimera dessa processer, vilket etablerar LNOI som en mycket mångsidig ickelinjär optisk plattform.
Elektrooptiskt avstämbara integrerade enheter
LNOI-tekniken har också möjliggjort utvecklingen av ett brett utbud av aktiva och passiva avstämbara fotoniska enheter, såsom:
- Höghastighetsoptiska modulatorer
- Omkonfigurerbara multifunktionella PIC:er
- Avstämbara frekvenskammar
- Mikrooptomekaniska fjädrar
Dessa enheter utnyttjar litiumniobats inneboende EO-egenskaper för att uppnå exakt och snabb kontroll av ljussignaler.
Praktiska tillämpningar av LNOI-fotonik
LNOI-baserade PIC:er används nu i ett växande antal praktiska tillämpningar, inklusive:
- Mikrovågs-till-optiska omvandlare
- Optiska sensorer
- Inbyggda spektrometrar
- Optiska frekvenskammar
- Avancerade telekommunikationssystem
Dessa tillämpningar visar på LNOI:s potential att matcha prestandan hos bulkoptiska komponenter, samtidigt som de erbjuder skalbara, energieffektiva lösningar genom fotolitografisk tillverkning.
Nuvarande utmaningar och framtida riktningar
Trots sina lovande framsteg står LNOI-tekniken inför flera tekniska hinder:
a) Ytterligare minskning av optisk förlust
Strömvågledarförlusten (0,01 dB/cm) är fortfarande en storleksordning högre än materialets absorptionsgräns. Framsteg inom jonskärningstekniker och nanofabrikation behövs för att minska ytjämnheter och absorptionsrelaterade defekter.
b) Förbättrad kontroll av vågledargeometrin
Att möjliggöra vågledare under 700 nm och kopplingsgap under 2 μm utan att offra repeterbarhet eller öka utbredningsförlusten är avgörande för högre integrationstäthet.
c) Ökad kopplingseffektivitet
Medan avsmalnande fibrer och modomvandlare hjälper till att uppnå hög kopplingseffektivitet, kan antireflexbeläggningar ytterligare mildra reflektioner mellan luft och material.
d) Utveckling av polarisationskomponenter med låg förlust
Polarisationsokänsliga fotoniska enheter på LNOI är viktiga och kräver komponenter som matchar prestandan hos frirymdspolarisatorer.
e) Integrering av styrelektronik
Att effektivt integrera storskalig styrelektronik utan att försämra den optiska prestandan är en viktig forskningsinriktning.
f) Avancerad fasmatchning och dispersionsteknik
Tillförlitlig domänmönsterbildning med submikronupplösning är avgörande för ickelinjär optik men är fortfarande en omogen teknik på LNOI-plattformen.
g) Ersättning för tillverkningsfel
Tekniker för att mildra fasförskjutningar orsakade av miljöförändringar eller tillverkningsavvikelser är avgörande för verklig implementering.
h) Effektiv flerchipskoppling
Att hantera effektiv koppling mellan flera LNOI-chips är nödvändigt för att skala bortom gränserna för integration med enskilda wafers.
Monolitisk integration av aktiva och passiva komponenter
En central utmaning för LNOI PIC:er är den kostnadseffektiva monolitiska integrationen av aktiva och passiva komponenter såsom:
- Lasrar
- Detektorer
- Icke-linjära våglängdsomvandlare
- Modulatorer
- Multiplexorer/Demultiplexorer
Nuvarande strategier inkluderar:
a) Jondopning av LNOI:
Selektiv dopning av aktiva joner i utvalda regioner kan leda till ljuskällor på chipet.
b) Bindning och heterogen integration:
Att binda prefabricerade passiva LNOI PIC:er med dopade LNOI-lager eller III-V-lasrar ger en alternativ väg.
c) Tillverkning av hybrid aktiv/passiv LNOI-skivor:
En innovativ metod innebär att dopade och odopade LN-wafers binds före jonskärning, vilket resulterar i LNOI-wafers med både aktiva och passiva regioner.
Figur 1illustrerar konceptet med hybridintegrerade aktiva/passiva PIC:er, där en enda litografisk process möjliggör sömlös uppriktning och integration av båda typerna av komponenter.
Integrering av fotodetektorer
Att integrera fotodetektorer i LNOI-baserade PIC:er är ytterligare ett viktigt steg mot fullt fungerande system. Två huvudsakliga metoder är under utredning:
a) Heterogen integration:
Halvledar-nanostrukturer kan transient kopplas till LNOI-vågledare. Emellertid krävs fortfarande förbättringar av detektionseffektivitet och skalbarhet.
b) Icke-linjär våglängdsomvandling:
LN:s ickelinjära egenskaper möjliggör frekvensomvandling inom vågledare, vilket möjliggör användning av standardkiselfotodetektorer oavsett driftsvåglängd.
Slutsats
Den snabba utvecklingen av LNOI-teknik för industrin närmare en universell PIC-plattform som kan betjäna ett brett spektrum av applikationer. Genom att ta itu med befintliga utmaningar och driva fram innovationer inom monolitisk och detektorintegration har LNOI-baserade PIC:er potential att revolutionera områden som telekommunikation, kvantinformation och sensorer.
LNOI lovar att uppfylla den långvariga visionen om skalbara PIC:er, vilket matchar EIC:ernas framgång och effekt. Fortsatta FoU-insatser – såsom de från Nanjing Photonics Process Platform och XiaoyaoTech Design Platform – kommer att vara avgörande för att forma framtiden för integrerad fotonik och frigöra nya möjligheter inom olika teknikområden.
Publiceringstid: 18 juli 2025