Enkonduko
Inspirita de la sukceso de elektronikaj integraj cirkvitoj (EIC-oj), la kampo de fotonaj integraj cirkvitoj (PIC-oj) evoluis ekde sia komenco en 1969. Tamen, male al EIC-oj, la disvolviĝo de universala platformo kapabla subteni diversajn fotonajn aplikojn restas grava defio. Ĉi tiu artikolo esploras la emerĝantan teknologion de Litio-Niobato sur Izolilo (LNOI), kiu rapide fariĝis promesplena solvo por la sekvaj generacioj de PIC-oj.
La Leviĝo de LNOI-Teknologio
Litia niobato (LN) estas delonge agnoskita kiel ŝlosila materialo por fotonikaj aplikoj. Tamen, nur kun la apero de maldikfilma LNOI kaj progresintaj fabrikadteknikoj ĝia plena potencialo estis malŝlosita. Esploristoj sukcese montris ultra-malalt-perdajn krestajn ondogvidilojn kaj ultra-alt-Q mikroresonatorojn sur LNOI-platformoj [1], markante signifan salton en integra fotoniko.
Ŝlosilaj Avantaĝoj de LNOI-Teknologio
- Ultra-malalta optika perdo(eble malalte kiel 0.01 dB/cm)
- Altkvalitaj nanofotonaj strukturoj
- Subteno por diversaj nelinearaj optikaj procezoj
- Integra elektro-optika (EO) agordebleco
Nelinearaj Optikaj Procezoj sur LNOI
Alt-efikecaj nanofotonaj strukturoj fabrikitaj sur la LNOI-platformo ebligas la realigon de ŝlosilaj nelinearaj optikaj procezoj kun rimarkinda efikeco kaj minimuma pumppotenco. Demontritaj procezoj inkluzivas:
- Dua Harmona Generacio (SHG)
- Suma Frekvenca Generado (SFG)
- Diferenca Frekvenca Generado (DFG)
- Parametra Malsupren-Konverto (PDC)
- Kvar-onda miksado (FWM)
Diversaj faz-akordigaj skemoj estis efektivigitaj por optimumigi ĉi tiujn procezojn, establante LNOI kiel tre multflankan nelinian optikan platformon.
Elektro-Optike Agordeblaj Integraj Aparatoj
LNOI-teknologio ankaŭ ebligis la disvolvon de vasta gamo de aktivaj kaj pasivaj agordeblaj fotonikaj aparatoj, kiel ekzemple:
- Alt-rapidaj optikaj modulatoroj
- Reagordeblaj multfunkciaj PIC-oj
- Agordeblaj frekvencaj kombiloj
- Mikro-optomekanikaj risortoj
Ĉi tiuj aparatoj utiligas la internajn EO-ecojn de litia niobato por atingi precizan, altrapidan kontrolon de lumsignaloj.
Praktikaj Aplikoj de LNOI-Fotoniko
LNOI-bazitaj PIC-oj nun estas adoptataj en kreskanta nombro da praktikaj aplikoj, inkluzive de:
- Mikroond-al-optikaj konvertiloj
- Optikaj sensiloj
- Sur-ĉipaj spektrometroj
- Optikaj frekvencaj kombiloj
- Altnivelaj telekomunikaj sistemoj
Ĉi tiuj aplikoj montras la potencialon de LNOI por egali la rendimenton de groc-optikaj komponantoj, samtempe ofertante skaleblajn, energiefikajn solvojn per fotolitografia fabrikado.
Aktualaj Defioj kaj Estontaj Direktoj
Malgraŭ sia promesplena progreso, LNOI-teknologio alfrontas plurajn teknikajn obstaklojn:
a) Plua Reduktado de Optika Perdo
La perdo de kurenta ondogvidilo (0,01 dB/cm) estas ankoraŭ grandordo pli alta ol la limo de la materiala sorbado. Progresoj en jon-tranĉaj teknikoj kaj nanofabrikado estas necesaj por redukti surfacan malglatecon kaj sorbad-rilatajn difektojn.
b) Plibonigita Ondgvidila Geometria Kontrolo
Ebligi sub-700 nm ondgvidilojn kaj sub-2 μm kupladajn interspacojn sen oferi ripeteblon aŭ pliigi disvastiĝperdon estas decida por pli alta integriĝdenseco.
c) Plibonigante Kupladan Efikecon
Dum pintigitaj fibroj kaj reĝimkonvertiloj helpas atingi altan kupladan efikecon, kontraŭreflektaj tegaĵoj povas plue mildigi aero-materialajn interfacajn reflektojn.
d) Evoluigo de Malalt-Perdaj Polarigaj Komponantoj
Polariz-nesentemaj fotonaj aparatoj sur LNOI estas esencaj, postulante komponentojn kiuj egalas la efikecon de liberspacaj polarigiloj.
e) Integriĝo de Kontrola Elektroniko
Efike integri grandskalan kontrolan elektronikon sen degradi optikan rendimenton estas ŝlosila esplordirekto.
f) Altnivela Faza Kongruigo kaj Dispersa Inĝenierarto
Fidinda domajna strukturizado je submikrona rezolucio estas esenca por nelineara optiko sed restas nematura teknologio sur la LNOI-platformo.
g) Kompenso pro Fabrikaĵaj Difektoj
Teknikoj por mildigi fazoŝanĝojn kaŭzitajn de mediaj ŝanĝoj aŭ fabrikadvariancoj estas esencaj por real-monda deplojo.
h) Efika Multĉipa Kuplado
Trakti efikan kupladon inter pluraj LNOI-ĉipoj estas necesa por skali preter la limojn de unu-vafraj integriĝo.
Monolita Integriĝo de Aktivaj kaj Pasivaj Komponantoj
Kerna defio por LNOI PIC-oj estas la kostefika monolita integriĝo de aktivaj kaj pasivaj komponantoj kiel ekzemple:
- Laseroj
- Detektiloj
- Nelinearaj ondolongo-konvertiloj
- Modulatoroj
- Multipleksiloj/Demultipleksiloj
Nunaj strategioj inkluzivas:
a) Jona Dopado de LNOI:
Selektiva dopado de aktivaj jonoj en elektitajn regionojn povas konduki al sur-ĉipaj lumfontoj.
b) Ligado kaj Heterogena Integriĝo:
Ligado de antaŭfabrikitaj pasivaj LNOI PIC-oj kun dopitaj LNOI-tavoloj aŭ III-V laseroj provizas alternativan vojon.
c) Hibrida Aktiva/Pasiva LNOI-Obleta Fabrikado:
Noviga aliro implikas ligadon de dopitaj kaj nedopitaj LN-oblatoj antaŭ jonotranĉado, rezultante en LNOI-oblatoj kun kaj aktivaj kaj pasivaj regionoj.
Figuro 1ilustras la koncepton de hibridaj integraj aktivaj/pasivaj PIC-oj, kie ununura litografia procezo ebligas senjuntan vicigon kaj integriĝon de ambaŭ specoj de komponantoj.
Integriĝo de Fotodetektiloj
Integri fotodetektilojn en LNOI-bazitajn PIC-ojn estas alia decida paŝo al plene funkciaj sistemoj. Du ĉefaj aliroj estas esplorataj:
a) Heterogena Integriĝo:
Duonkonduktaĵaj nanostrukturoj povas esti paseme kunligitaj al LNOI-ondgvidiloj. Tamen, plibonigoj en detekta efikeco kaj skalebleco ankoraŭ necesas.
b) Nelineara Ondolonga Konverto:
La nelinearaj ecoj de LN permesas frekvencan konverton ene de ondgvidiloj, ebligante la uzon de normaj siliciaj fotodetektiloj sendepende de funkcianta ondolongo.
Konkludo
La rapida progreso de LNOI-teknologio alproksimigas la industrion al universala PIC-platformo kapabla servi larĝan gamon da aplikoj. Traktante ekzistantajn defiojn kaj antaŭenigante novigojn en monolita kaj detektila integriĝo, LNOI-bazitaj PIC-oj havas la potencialon revolucii kampojn kiel telekomunikadoj, kvantuma informo kaj sensado.
LNOI promesas plenumi la delongan vizion de skaleblaj PIC-oj, egalante la sukceson kaj efikon de EIC-oj. Daŭraj esplor- kaj disvolvigaj klopodoj — kiel tiuj de la Nankinga Fotonika Proceza Platformo kaj la XiaoyaoTech Dezajna Platformo — estos ŝlosilaj por formi la estontecon de integra fotoniko kaj malŝlosi novajn eblecojn tra teknologiaj domajnoj.
Afiŝtempo: 18-a de Julio, 2025