Zavedení
Inspirován úspěchem elektronických integrovaných obvodů (EIC), se oblast fotonických integrovaných obvodů (PIC) vyvíjí od svého vzniku v roce 1969. Na rozdíl od EIC však zůstává vývoj univerzální platformy schopné podporovat rozmanité fotonické aplikace velkou výzvou. Tento článek zkoumá nově vznikající technologii lithium-niobátu na izolantu (LNOI), která se rychle stala slibným řešením pro PIC nové generace.
Vzestup technologie LNOI
Niobičnan lithný (LN) je již dlouho považován za klíčový materiál pro fotonické aplikace. Jeho plný potenciál se však uvolnil až s příchodem tenkovrstvých LNOI a pokročilých výrobních technik. Výzkumníci úspěšně demonstrovali ultranízkoztrátové hřebenové vlnovody a ultravysoké Q mikrorezonátory na platformách LNOI [1], což představuje významný skok v integrované fotonice.
Klíčové výhody technologie LNOI
- Ultranízké optické ztráty(již od 0,01 dB/cm)
- Vysoce kvalitní nanofotonické struktury
- Podpora pro různé nelineární optické procesy
- Integrovaná elektrooptická (EO) laditelnost
Nelineární optické procesy na LNOI
Vysoce výkonné nanofotonické struktury vyrobené na platformě LNOI umožňují realizaci klíčových nelineárních optických procesů s pozoruhodnou účinností a minimálním čerpacím výkonem. Mezi demonstrované procesy patří:
- Generování druhé harmonické (SHG)
- Generování součtové frekvence (SFG)
- Generování rozdílové frekvence (DFG)
- Parametrická konverze dolů (PDC)
- Čtyřvlnové míchání (FWM)
Pro optimalizaci těchto procesů byly implementovány různé schémata fázového přizpůsobení, čímž se LNOI stala vysoce všestrannou nelineární optickou platformou.
Elektroopticky laditelné integrované součástky
Technologie LNOI také umožnila vývoj široké škály aktivních a pasivních laditelných fotonických zařízení, jako například:
- Vysokorychlostní optické modulátory
- Rekonfigurovatelné multifunkční PIC
- Laditelné frekvenční hřebeny
- Mikrooptomechanické pružiny
Tato zařízení využívají inherentní EO vlastnosti niobátu lithného k dosažení přesného a vysokorychlostního řízení světelných signálů.
Praktické aplikace fotoniky LNOI
PIC založené na LNOI se nyní používají ve stále větším počtu praktických aplikací, včetně:
- Mikrovlnné optické převodníky
- Optické senzory
- Spektrometry na čipu
- Optické frekvenční hřebeny
- Pokročilé telekomunikační systémy
Tyto aplikace demonstrují potenciál LNOI dosáhnout výkonu srovnatelného s objemovými optickými komponenty a zároveň nabídnout škálovatelná a energeticky úsporná řešení prostřednictvím fotolitografické výroby.
Současné výzvy a budoucí směřování
Navzdory slibnému pokroku čelí technologie LNOI několika technickým překážkám:
a) Další snížení optických ztrát
Ztráta proudu ve vlnovodu (0,01 dB/cm) je stále o řád vyšší než limit absorpce materiálu. Pro snížení drsnosti povrchu a vad souvisejících s absorpcí je zapotřebí pokrok v technikách iontového řezání a nanofabrikace.
b) Vylepšené řízení geometrie vlnovodu
Pro vyšší hustotu integrace je klíčové umožnit použití vlnovodů s délkou pod 700 nm a vazebních mezer pod 2 μm bez obětování opakovatelnosti nebo zvýšení ztrát šířením.
c) Zvýšení účinnosti spojky
Zatímco zúžená vlákna a konvertory módů pomáhají dosáhnout vysoké účinnosti vazby, antireflexní povlaky mohou dále zmírnit odrazy na rozhraní vzduch-materiál.
d) Vývoj nízkoztrátových polarizačních komponent
Fotonická zařízení na LNOI necitlivá na polarizaci jsou nezbytná a vyžadují komponenty, které odpovídají výkonu polarizátorů ve volném prostoru.
e) Integrace řídicí elektroniky
Efektivní integrace rozsáhlé řídicí elektroniky bez snížení optického výkonu je klíčovým směrem výzkumu.
f) Pokročilé fázové přizpůsobení a disperzní inženýrství
Spolehlivé doménové strukturování s submikronovým rozlišením je pro nelineární optiku zásadní, ale na platformě LNOI zůstává nezralou technologií.
g) Kompenzace za výrobní vady
Techniky pro zmírnění fázových posunů způsobených změnami prostředí nebo odchylkami ve výrobě jsou nezbytné pro nasazení v reálném světě.
h) Efektivní vícečipové propojení
Řešení efektivního propojení mezi více čipy LNOI je nezbytné pro škálování nad rámec limitů integrace jednotlivých destiček.
Monolitická integrace aktivních a pasivních komponent
Hlavní výzvou pro LNOI PIC je nákladově efektivní monolitická integrace aktivních a pasivních komponent, jako jsou:
- Lasery
- Detektory
- Nelineární převodníky vlnových délek
- Modulátory
- Multiplexory/demultiplexory
Mezi současné strategie patří:
a) Iontové dopování LNOI:
Selektivní dopování aktivních iontů do určených oblastí může vést ke zdrojům světla na čipu.
b) Vazby a heterogenní integrace:
Alternativní cestu nabízí spojení prefabrikovaných pasivních LNOI PIC s dopovanými vrstvami LNOI nebo III-V lasery.
c) Výroba hybridních aktivních/pasivních LNOI destiček:
Inovativní přístup zahrnuje spojení dopovaných a nedopovaných LN destiček před iontovým řezáním, což vede k LNOI destičkám s aktivními i pasivními oblastmi.
Obrázek 1ilustruje koncept hybridních integrovaných aktivních/pasivních PIC, kde jediný litografický proces umožňuje bezproblémové zarovnání a integraci obou typů komponent.
Integrace fotodetektorů
Integrace fotodetektorů do PIC založených na LNOI je dalším klíčovým krokem k plně funkčním systémům. Zkoumají se dva hlavní přístupy:
a) Heterogenní integrace:
Polovodičové nanostruktury lze přechodně propojit s vlnovody LNOI. Stále je však zapotřebí zlepšení účinnosti detekce a škálovatelnosti.
b) Nelineární převod vlnových délek:
Nelineární vlastnosti LN umožňují frekvenční konverzi ve vlnovodech, což umožňuje použití standardních křemíkových fotodetektorů bez ohledu na provozní vlnovou délku.
Závěr
Rychlý pokrok technologie LNOI přibližuje průmysl k univerzální platformě PIC, která je schopna sloužit široké škále aplikací. Řešením stávajících výzev a prosazováním inovací v oblasti monolitické integrace a integrace detektorů mají PIC založené na LNOI potenciál způsobit revoluci v oblastech, jako jsou telekomunikace, kvantová informace a senzorika.
LNOI slibuje naplnění dlouhodobé vize škálovatelných PIC, které odpovídají úspěchu a dopadu EIC. Pokračující výzkumné a vývojové úsilí – jako například úsilí platformy Nanjing Photonics Process Platform a platformy XiaoyaoTech Design Platform – bude klíčové pro utváření budoucnosti integrované fotoniky a odemykání nových možností napříč technologickými oblastmi.
Čas zveřejnění: 18. července 2025