Introduzzjoni
Ispirat mis-suċċess taċ-ċirkwiti integrati elettroniċi (EICs), il-qasam taċ-ċirkwiti integrati fotoniċi (PICs) ilu jevolvi sa mill-bidu tiegħu fl-1969. Madankollu, għall-kuntrarju tal-EICs, l-iżvilupp ta' pjattaforma universali kapaċi tappoġġja applikazzjonijiet fotoniċi diversi jibqa' sfida ewlenija. Dan l-artikolu jesplora t-teknoloġija emerġenti tal-Lithium Niobate on Insulator (LNOI), li malajr saret soluzzjoni promettenti għall-PICs tal-ġenerazzjoni li jmiss.
Iż-Żieda tat-Teknoloġija LNOI
In-nijobat tal-litju (LN) ilu rikonoxxut bħala materjal ewlieni għall-applikazzjonijiet fotoniċi. Madankollu, huwa biss bil-miġja tal-LNOI b'film irqiq u tekniki avvanzati ta' fabbrikazzjoni li l-potenzjal sħiħ tiegħu ġie żvelat. Ir-riċerkaturi wrew b'suċċess gwidi tal-mewġ tar-riġlejn b'telf ultra-baxx u mikroreżonaturi b'Q ultra-għolja fuq pjattaformi LNOI [1], u dan jimmarka qabża sinifikanti fil-fotonika integrata.
Vantaġġi Ewlenin tat-Teknoloġija LNOI
- Telf ottiku ultra-baxx(sa 0.01 dB/cm)
- Strutturi nanofotoniċi ta' kwalità għolja
- Appoġġ għal diversi proċessi ottiċi mhux lineari
- Sintonizzazzjoni elettro-ottika (EO) integrata
Proċessi Ottiċi Mhux Lineari fuq LNOI
Strutturi nanofotoniċi ta' prestazzjoni għolja fabbrikati fuq il-pjattaforma LNOI jippermettu r-realizzazzjoni ta' proċessi ottiċi mhux lineari ewlenin b'effiċjenza notevoli u qawwa minima tal-ippumpjar. Il-proċessi murija jinkludu:
- It-Tieni Ġenerazzjoni Armonika (SHG)
- Ġenerazzjoni ta' Frekwenza Somma (SFG)
- Ġenerazzjoni ta' Frekwenza Differenzjali (DFG)
- Konverżjoni Parametrika 'l isfel (PDC)
- Taħlit b'Erba' Mewġ (FWM)
Ġew implimentati diversi skemi ta' tqabbil tal-fażi biex jiġu ottimizzati dawn il-proċessi, u b'hekk l-LNOI ġiet stabbilita bħala pjattaforma ottika mhux lineari versatili ħafna.
Apparati Integrati li Jistgħu Jiġu Sintonizzati Elettro-Ottikament
It-teknoloġija LNOI ppermettiet ukoll l-iżvilupp ta' firxa wiesgħa ta' apparati fotoniċi sintonizzabbli attivi u passivi, bħal:
- Modulaturi ottiċi ta' veloċità għolja
- PICs multifunzjonali li jistgħu jiġu kkonfigurati mill-ġdid
- Moxtijiet ta' frekwenza sintonizzabbli
- Molol mikro-optomekkaniċi
Dawn l-apparati jisfruttaw il-proprjetajiet intrinsiċi tal-EO tan-nijobat tal-litju biex jiksbu kontroll preċiż u b'veloċità għolja tas-sinjali tad-dawl.
Applikazzjonijiet Prattiċi tal-Fotonika LNOI
Il-PICs ibbażati fuq l-LNOI issa qed jiġu adottati f'għadd dejjem jikber ta' applikazzjonijiet prattiċi, inklużi:
- Konvertituri minn microwave għal ottiċi
- Sensuri ottiċi
- Spettrometri fuq iċ-ċippa
- Moxtijiet tal-frekwenza ottika
- Sistemi avvanzati ta' telekomunikazzjoni
Dawn l-applikazzjonijiet juru l-potenzjal tal-LNOI biex jaqbel mal-prestazzjoni tal-komponenti ottiċi bl-ingrossa, filwaqt li joffri soluzzjonijiet skalabbli u effiċjenti fl-enerġija permezz tal-fabbrikazzjoni fotolitografika.
Sfidi Attwali u Direzzjonijiet Futuri
Minkejja l-progress promettenti tagħha, it-teknoloġija LNOI tiffaċċja diversi ostakli tekniċi:
a) Tnaqqis ulterjuri tat-Telf Ottiku
It-telf tal-gwida tal-mewġ tal-kurrent (0.01 dB/cm) għadu ordni ta' kobor ogħla mil-limitu tal-assorbiment tal-materjal. Huma meħtieġa avvanzi fit-tekniki tat-tqattigħ tal-joni u n-nanofabbrikazzjoni biex jitnaqqsu l-ħruxija tal-wiċċ u d-difetti relatati mal-assorbiment.
b) Kontroll Imtejjeb tal-Ġeometrija tal-Waveguide
Li jiġu attivati gwidi tal-mewġ ta' taħt is-700 nm u lakuni ta' akkoppjar ta' taħt iż-2 μm mingħajr ma tiġi ssagrifikata r-ripetibbiltà jew tiżdied it-telf tal-propagazzjoni huwa kruċjali għal densità ta' integrazzjoni ogħla.
c) It-Tisħiħ tal-Effiċjenza tal-Akkumpanjament
Filwaqt li l-fibri koniċi u l-konvertituri tal-modalità jgħinu biex tinkiseb effiċjenza għolja ta' akkoppjar, il-kisi anti-riflessjoni jista' jkompli jtaffi r-riflessjonijiet tal-interfaċċja bejn l-arja u l-materjal.
d) Żvilupp ta' Komponenti ta' Polarizzazzjoni b'Telf Baxx
Apparati fotoniċi insensittivi għall-polarizzazzjoni fuq LNOI huma essenzjali, u jeħtieġu komponenti li jaqblu mal-prestazzjoni tal-polarizzaturi tal-ispazju ħieles.
e) Integrazzjoni tal-Elettronika tal-Kontroll
L-integrazzjoni effettiva tal-elettronika ta' kontroll fuq skala kbira mingħajr ma titnaqqas il-prestazzjoni ottika hija direzzjoni ewlenija tar-riċerka.
f) Tqabbil Avvanzat tal-Fażi u Inġinerija tad-Dispersjoni
It-tfassil ta' mudelli ta' dominji affidabbli b'riżoluzzjoni sub-mikron huwa vitali għall-ottika mhux lineari iżda jibqa' teknoloġija immatura fuq il-pjattaforma LNOI.
g) Kumpens għal Difetti ta' Fabbrikazzjoni
Tekniki biex jittaffew il-bidliet fil-fażi kkawżati minn bidliet ambjentali jew varjanzi fil-fabbrikazzjoni huma essenzjali għall-iskjerament fid-dinja reali.
h) Akkoppjar Effiċjenti ta' Multi-Ċippa
L-indirizzar ta' akkoppjar effiċjenti bejn ċipep LNOI multipli huwa neċessarju biex l-iskalar jmur lil hinn mil-limiti ta' integrazzjoni ta' wejfer wieħed.
Integrazzjoni Monolitika ta' Komponenti Attivi u Passivi
Sfida ewlenija għall-LNOI PICs hija l-integrazzjoni monolitika kosteffettiva ta' komponenti attivi u passivi bħal:
- Lejżers
- Ditekters
- Konvertituri tat-tul ta' mewġ mhux lineari
- Modulaturi
- Multiplexers/Demultiplexers
L-istrateġiji attwali jinkludu:
a) Doping tal-LNOI bil-Joni:
Id-doping selettiv ta' joni attivi f'reġjuni magħżula jista' jwassal għal sorsi tad-dawl on-chip.
b) Twaħħil u Integrazzjoni Eteroġenja:
It-twaħħil ta' PICs LNOI passivi prefabbrikati ma' saffi LNOI ddopjati jew lejżers III-V jipprovdi triq alternattiva.
c) Fabbrikazzjoni ta' Wejfer LNOI Ibridu Attiv/Passiv:
Approċċ innovattiv jinvolvi t-twaħħil ta' wejfers LN iddopjati u mhux iddopjati qabel it-tqattigħ tal-joni, li jirriżulta f'wejfers LNOI kemm b'reġjuni attivi kif ukoll passivi.
Figura 1juri l-kunċett ta' PICs attivi/passivi integrati ibridi, fejn proċess litografiku wieħed jippermetti allinjament u integrazzjoni bla xkiel taż-żewġ tipi ta' komponenti.
Integrazzjoni ta' Fotoditekters
L-integrazzjoni tal-fotoditekters f'PICs ibbażati fuq l-LNOI hija pass kruċjali ieħor lejn sistemi kompletament funzjonali. Żewġ approċċi primarji qed jiġu investigati:
a) Integrazzjoni Eteroġenja:
Nanostrutturi semikondutturi jistgħu jiġu akkoppjati temporanjament ma' waveguides LNOI. Madankollu, għad hemm bżonn ta' titjib fl-effiċjenza tad-detezzjoni u l-iskalabbiltà.
b) Konverżjoni tat-Tul tal-Mewġa Mhux Lineari:
Il-proprjetajiet mhux lineari tal-LN jippermettu l-konverżjoni tal-frekwenza fi ħdan il-gwidi tal-mewġ, li jippermettu l-użu ta' fotoditekters tas-silikon standard irrispettivament mit-tul tal-mewġa operattiv.
Konklużjoni
L-avvanz rapidu tat-teknoloġija LNOI jressaq l-industrija eqreb lejn pjattaforma PIC universali kapaċi li sservi firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet. Billi jindirizzaw l-isfidi eżistenti u jimbuttaw 'il quddiem innovazzjonijiet fl-integrazzjoni monolitika u tad-ditekters, il-PICs ibbażati fuq l-LNOI għandhom il-potenzjal li jirrivoluzzjonaw oqsma bħat-telekomunikazzjonijiet, l-informazzjoni kwantistika, u s-sensing.
L-LNOI wegħdet li twettaq il-viżjoni li ilha teżisti ta' PICs skalabbli, filwaqt li tlaħħaq mas-suċċess u l-impatt tal-EICs. L-isforzi kontinwi fir-R&Ż—bħal dawk mill-Pjattaforma tal-Proċess Fotoniku ta' Nanjing u l-Pjattaforma tad-Disinn ta' XiaoyaoTech—se jkunu kruċjali fit-tiswir tal-futur tal-fotonika integrata u l-ftuħ ta' possibbiltajiet ġodda fl-oqsma tat-teknoloġija.
Ħin tal-posta: 18 ta' Lulju 2025