Inngangur
Innblásið af velgengni rafeinda-samþættra hringrása (EICs) hefur sviði ljósfræðilegra samþættra hringrása (PICs) verið að þróast frá upphafi þess árið 1969. Ólíkt EICs er þróun alhliða vettvangs sem getur stutt fjölbreytt ljósfræðileg forrit enn mikil áskorun. Þessi grein kannar nýja tækni litíumníóbats á einangrunareiningu (LNOI), sem hefur hratt orðið efnileg lausn fyrir næstu kynslóð PICs.
Uppgangur LNOI-tækni
Litíumníóbat (LN) hefur lengi verið viðurkennt sem lykilefni fyrir ljósfræðilega notkun. Hins vegar hefur það ekki verið nýtt til fulls fyrr en með tilkomu þunnfilmu-LNOI og háþróaðra framleiðslutækni. Rannsakendur hafa með góðum árangri sýnt fram á bylgjuleiðara með afar litlu tapi og örómar með afar háu Q á LNOI-pöllum [1], sem markar mikilvægt stökk í samþættri ljósfræði.
Helstu kostir LNOI tækni
- Mjög lágt sjóntap(allt niður í 0,01 dB/cm)
- Hágæða nanófótónísk uppbygging
- Stuðningur við fjölbreytt ólínuleg ljósfræðileg ferli
- Samþætt raf-ljósfræðileg (EO) stillingarhæfni
Ólínuleg ljósfræðileg ferli á LNOI
Háþróaðar nanófótónískar byggingar, smíðaðar á LNOI kerfinu, gera kleift að framkvæma lykil ólínuleg ljósfræðileg ferli með einstakri skilvirkni og lágmarks dæluafli. Sýndar eru fram á eftirfarandi ferli:
- Önnur harmonísk kynslóð (SHG)
- Summatíðniframleiðsla (SFG)
- Mismunartíðniframleiðsla (DFG)
- Parametrísk niðurbreyting (PDC)
- Fjögurra bylgju blöndun (FWM)
Ýmsar fasajöfnunaraðferðir hafa verið innleiddar til að hámarka þessi ferli, sem gerir LNOI að mjög fjölhæfum ólínulegum ljósfræðilegum vettvangi.
Raf-ljósfræðilega stillanleg samþætt tæki
LNOI tækni hefur einnig gert kleift að þróa fjölbreytt úrval af virkum og óvirkum stillanlegum ljósfræðilegum tækjum, svo sem:
- Háhraða ljósleiðarar
- Endurstillanleg fjölnota PIC-tæki
- Stillanleg tíðnikamb
- Ör-optómekanískar gormar
Þessi tæki nýta sér eðlislæga EO eiginleika litíumníóbats til að ná nákvæmri og hraðvirkri stjórn á ljósmerkjum.
Hagnýt notkun LNOI ljósfræði
LNOI-byggð PIC eru nú notuð í sífellt fleiri hagnýtum tilgangi, þar á meðal:
- Örbylgju-í-ljósbreytir
- Sjónrænir skynjarar
- Litrófsmælar á örgjörva
- Ljósfræðilegir tíðnikammar
- Háþróuð fjarskiptakerfi
Þessi forrit sýna fram á möguleika LNOI til að jafna afköst ljósleiðaraíhluta í lausu, en bjóða jafnframt upp á stigstærðar, orkusparandi lausnir með ljóslitografískri framleiðslu.
Núverandi áskoranir og framtíðarstefnur
Þrátt fyrir lofandi framfarir stendur LNOI-tæknin frammi fyrir nokkrum tæknilegum hindrunum:
a) Frekari minnkun á ljóstapi
Tap straumbylgjuleiðara (0,01 dB/cm) er enn töluvert hærra en frásogsmörk efnisins. Þörf er á framþróun í jónasneiðingartækni og nanóframleiðslu til að draga úr yfirborðsgrófleika og frásogstengdum göllum.
b) Bætt stjórn á bylgjuleiðararúmfræði
Að virkja bylgjuleiðara undir 700 nm og tengibil undir 2 μm án þess að fórna endurtekningarhæfni eða auka útbreiðslutap er mikilvægt fyrir meiri samþættingarþéttleika.
c) Að auka skilvirkni tengingar
Þó að keilulaga trefjar og stillingarbreytar hjálpi til við að ná mikilli tengingarhagkvæmni, geta endurskinsvörn gegn endurskini enn frekar dregið úr endurskini á millifleti lofts og efnis.
d) Þróun skautunaríhluta með litlu tapi
Ljósfræðileg tæki á LNOI sem eru ónæm fyrir pólun eru nauðsynleg og krefjast íhluta sem passa við afköst pólunarra í frírými.
e) Samþætting stýringarrafeinda
Að samþætta stórfellda stýrirafeindatækni á áhrifaríkan hátt án þess að skerða ljósfræðilega afköst er lykilrannsóknarstefna.
f) Ítarleg fasajöfnun og dreifingarverkfræði
Áreiðanleg lénsmynstur með upplausn undir míkrónum er mikilvæg fyrir ólínulega ljósfræði en tæknin er enn óþroskuð á LNOI vettvangi.
g) Bætur vegna framleiðslugalla
Tækni til að draga úr fasabreytingum af völdum umhverfisbreytinga eða frávika í framleiðslu eru nauðsynleg fyrir raunverulega dreifingu.
h) Skilvirk fjölflísatenging
Að takast á við skilvirka tengingu milli margra LNOI-flísa er nauðsynlegt til að stækka umfram samþættingarmörk einstakra skífu.
Einhliða samþætting virkra og óvirkra íhluta
Lykiláskorun fyrir LNOI PICs er hagkvæm einhliða samþætting virkra og óvirkra íhluta eins og:
- Leysir
- Skynjarar
- Ólínulegir bylgjulengdarbreytar
- Mótunartæki
- Margfeldingar/affeldingar
Núverandi aðferðir eru meðal annars:
a) Jóndópun á LNOI:
Sértæk lyfjagjöf virkra jóna á tilgreind svæði getur leitt til ljósgjafa á örgjörvanum.
b) Tenging og ólík samþætting:
Að tengja forsmíðaðar óvirkar LNOI PICs með efnuðum LNOI lögum eða III-V leysigeislum býður upp á aðra leið.
c) Framleiðsla á blönduðum virkum/óvirkum LNOI skífum:
Nýstárleg aðferð felur í sér að líma saman dópaðar og ódópaðar LN-skífur áður en jónasneiðing er gerð, sem leiðir til LNOI-skífa með bæði virkum og óvirkum svæðum.
Mynd 1sýnir fram á hugmyndina um blönduð samþætt virk/óvirk PIC-tæki, þar sem eitt litografískt ferli gerir kleift að samræma og samþætta báðar gerðir íhluta óaðfinnanlega.
Samþætting ljósnema
Að samþætta ljósnema í LNOI-byggða PIC-tæki er annað mikilvægt skref í átt að fullvirkum kerfum. Tvær meginaðferðir eru til rannsóknar:
a) Ósamræmisleg samþætting:
Hægt er að tengja hálfleiðara nanóbyggingar tímabundið við LNOI bylgjuleiðara. Hins vegar er enn þörf á úrbótum á skilvirkni greiningar og stigstærð.
b) Ólínuleg bylgjulengdarbreyting:
Ólínulegir eiginleikar LN gera tíðnibreytingu kleift innan bylgjuleiðara, sem gerir kleift að nota staðlaða kísilljósnema óháð bylgjulengd.
Niðurstaða
Hraðar framfarir í LNOI-tækni færa iðnaðinn nær alhliða PIC-vettvangi sem getur þjónað fjölbreyttum notkunarsviðum. Með því að takast á við núverandi áskoranir og ýta undir nýjungar í samþættingu einlita og skynjara, hafa LNOI-byggðir PIC-einingar möguleika á að gjörbylta sviðum eins og fjarskiptum, skammtaupplýsingum og skynjun.
LNOI lofar góðu um að uppfylla langvarandi framtíðarsýn um stigstærðar PIC-einingar, sem samsvarar velgengni og áhrifum EIC-eininga. Áframhaldandi rannsóknar- og þróunarstarf - eins og það sem framkvæmt er af Nanjing Photonics Process Platform og XiaoyaoTech Design Platform - verður lykilatriði í að móta framtíð samþættrar ljósfræði og opna fyrir nýja möguleika á öllum tæknisviðum.
Birtingartími: 18. júlí 2025