ლითიუმის ნიობატი იზოლატორზე (LNOI): ფოტონური ინტეგრირებული სქემების განვითარების ხელშეწყობა

შესავალი

ელექტრონული ინტეგრირებული სქემების (EIC) წარმატებით შთაგონებული, ფოტონური ინტეგრირებული სქემების (PIC) სფერო 1969 წელს დაარსების დღიდან ვითარდება. თუმცა, EIC-ებისგან განსხვავებით, უნივერსალური პლატფორმის შემუშავება, რომელსაც შეუძლია მრავალფეროვანი ფოტონური აპლიკაციების მხარდაჭერა, კვლავ მნიშვნელოვან გამოწვევად რჩება. ეს სტატია იკვლევს ლითიუმ-ნიობატის იზოლატორზე (LNOI) ახალ ტექნოლოგიას, რომელიც სწრაფად გახდა პერსპექტიული გადაწყვეტა ახალი თაობის PIC-ებისთვის.

LNOI ტექნოლოგიის აღზევება

ლითიუმის ნიობატი (LN) დიდი ხანია აღიარებულია ფოტონური აპლიკაციების ძირითად მასალად. თუმცა, მხოლოდ თხელი ფენის LNOI-ის და წარმოების მოწინავე ტექნიკის გაჩენით გახდა მისი სრული პოტენციალი გამოვლენილი. მკვლევარებმა წარმატებით აჩვენეს ულტრადაბალი დანაკარგის მქონე ქედის ტალღგამტარები და ულტრამაღალი Q მიკრორეზონატორები LNOI პლატფორმებზე [1], რაც ინტეგრირებულ ფოტონიკაში მნიშვნელოვან ნახტომს წარმოადგენს.

LNOI ტექნოლოგიის ძირითადი უპირატესობები

• ულტრა დაბალი ოპტიკური დანაკარგი(დაბალი 0.01 დბ/სმ)
• მაღალი ხარისხის ნანოფოტონური სტრუქტურები
• მრავალფეროვანი არაწრფივი ოპტიკური პროცესების მხარდაჭერა
• ინტეგრირებული ელექტროოპტიკური (EO) რეგულირება

არაწრფივი ოპტიკური პროცესები LNOI-ზე

LNOI პლატფორმაზე დამზადებული მაღალი ხარისხის ნანოფოტონური სტრუქტურები საშუალებას იძლევა ძირითადი არაწრფივი ოპტიკური პროცესების რეალიზება შესანიშნავი ეფექტურობითა და მინიმალური ტუმბოს სიმძლავრით. დემონსტრირებული პროცესები მოიცავს:

• მეორე ჰარმონიული თაობა (SHG)
• ჯამური სიხშირის გენერირება (SFG)
• სხვაობის სიხშირის გენერირება (DFG)
• პარამეტრული დაღმავალი კონვერსია (PDC)
• ოთხტალღიანი შერევა (FWM)

ამ პროცესების ოპტიმიზაციისთვის დანერგილია ფაზების შესაბამისობის სხვადასხვა სქემა, რამაც LNOI მაღალმრავალმხრივ არაწრფივ ოპტიკურ პლატფორმად აქცია.

ელექტროოპტიკურად რეგულირებადი ინტეგრირებული მოწყობილობები

LNOI ტექნოლოგიამ ასევე შესაძლებელი გახადა აქტიური და პასიური რეგულირებადი ფოტონური მოწყობილობების ფართო სპექტრის შემუშავება, როგორიცაა:

• მაღალსიჩქარიანი ოპტიკური მოდულატორები
• რეკონფიგურირებადი მრავალფუნქციური PIC-ები
• რეგულირებადი სიხშირის სავარცხლები
• მიკროოპტომექანიკური ზამბარები

ეს მოწყობილობები იყენებენ ლითიუმის ნიობატის შინაგან EO თვისებებს სინათლის სიგნალების ზუსტი და მაღალსიჩქარიანი კონტროლის მისაღწევად.

LNOI ფოტონიკის პრაქტიკული გამოყენება

LNOI-ზე დაფუძნებული PIC-ები ამჟამად სულ უფრო მეტ პრაქტიკულ გამოყენებაში გამოიყენება, მათ შორის:

• მიკროტალღურიდან ოპტიკურ გადამყვანები
• ოპტიკური სენსორები
• ჩიპზე დამონტაჟებული სპექტრომეტრები
• ოპტიკური სიხშირის სავარცხლები
• მოწინავე სატელეკომუნიკაციო სისტემები

ეს აპლიკაციები აჩვენებს LNOI-ის პოტენციალს, შეესაბამებოდეს მოცულობითი ოპტიკური კომპონენტების მუშაობას და ამავდროულად, შესთავაზოს მასშტაბირებადი, ენერგოეფექტური გადაწყვეტილებები ფოტოლიტოგრაფიული დამზადების გზით.

მიმდინარე გამოწვევები და სამომავლო მიმართულებები

მიუხედავად პერსპექტიული პროგრესისა, LNOI ტექნოლოგია რამდენიმე ტექნიკურ დაბრკოლებას აწყდება:

ა) ოპტიკური დანაკარგის შემდგომი შემცირება
ტალღის გამტარის დენის დანაკარგი (0.01 დბ/სმ) კვლავ მნიშვნელოვნად აღემატება მასალის შთანთქმის ზღვარს. ზედაპირის უხეშობისა და შთანთქმასთან დაკავშირებული დეფექტების შესამცირებლად საჭიროა იონური დაჭრის ტექნიკისა და ნანოწარმოების გაუმჯობესება.

ბ) გაუმჯობესებული ტალღის გეომეტრიის კონტროლი
700 ნმ-ზე ნაკლები დიამეტრის ტალღგამტარების და 2 μm-ზე ნაკლები დიამეტრის შეერთების ხარვეზების ჩართვა განმეორებადობის შელახვის ან გავრცელების დანაკარგის გაზრდის გარეშე გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა ინტეგრაციის უფრო მაღალი სიმკვრივისთვის.

გ) შეერთების ეფექტურობის გაზრდა
მიუხედავად იმისა, რომ კონუსური ბოჭკოები და რეჟიმის გადამყვანები ხელს უწყობენ მაღალი შეერთების ეფექტურობის მიღწევას, ანტიარეკლილ საფარებს შეუძლიათ კიდევ უფრო შეამცირონ ჰაერი-მასალის ინტერფეისის არეკვლა.

დ) დაბალი დანაკარგის პოლარიზაციის კომპონენტების შემუშავება
LNOI-ზე პოლარიზაციისადმი არამგრძნობიარე ფოტონური მოწყობილობები აუცილებელია, რადგან მათ სჭირდებათ კომპონენტები, რომლებიც შეესაბამება თავისუფალი სივრცის პოლარიზატორების მუშაობას.

ე) მართვის ელექტრონიკის ინტეგრაცია
ოპტიკური მახასიათებლების გაუარესების გარეშე ფართომასშტაბიანი მართვის ელექტრონიკის ეფექტური ინტეგრირება კვლევის ერთ-ერთი მთავარი მიმართულებაა.

ვ) ფაზების შესაბამისობისა და დისპერსიის ინჟინერიის გაფართოებული მეთოდები
სუბმიკრონული გარჩევადობით დომენის საიმედო შაბლონირება სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია არაწრფივი ოპტიკისთვის, თუმცა LNOI პლატფორმაზე ჯერ კიდევ დაუმუშავებელ ტექნოლოგიად რჩება.

ზ) კომპენსაცია დამზადების დეფექტებისთვის
რეალურ სამყაროში განსათავსებლად აუცილებელია ტექნიკები, რომლებიც მიზნად ისახავს გარემოს ცვლილებებით ან წარმოების ვარიაციებით გამოწვეული ფაზური ძვრების შემსუბუქებას.

თ) ეფექტური მრავალჩიპიანი შეერთება
ერთვაფლის ინტეგრაციის ლიმიტების მიღმა მასშტაბირებისთვის აუცილებელია მრავალ LNOI ჩიპს შორის ეფექტური დაწყვილების საკითხის მოგვარება.

აქტიური და პასიური კომპონენტების მონოლითური ინტეგრაცია

LNOI PIC-ების ძირითადი გამოწვევაა აქტიური და პასიური კომპონენტების ეკონომიური მონოლითური ინტეგრაცია, როგორიცაა:

• ლაზერები
• დეტექტორები
• არაწრფივი ტალღის სიგრძის გადამყვანები
• მოდულატორები
• მულტიპლექსორები/დემულტიპლექსორები

მიმდინარე სტრატეგიები მოიცავს:

ა) LNOI-ის იონური დოპინგა:
აქტიური იონების შერჩევითმა დოპირებამ განსაზღვრულ რეგიონებში შეიძლება გამოიწვიოს ჩიპზე დამონტაჟებული სინათლის წყაროები.

ბ) ბმა და ჰეტეროგენული ინტეგრაცია:
წინასწარ დამზადებული პასიური LNOI PIC-ების დოპირებული LNOI ფენებით ან III-V ლაზერებით შეერთება ალტერნატიულ გზას ქმნის.

გ) ჰიბრიდული აქტიური/პასიური LNOI ვაფლის დამზადება:
ინოვაციური მიდგომა გულისხმობს დოპირებული და არადოპირებული LN ვაფლების შეერთებას იონების დაჭრამდე, რაც იწვევს LNOI ვაფლების წარმოქმნას როგორც აქტიური, ასევე პასიური რეგიონებით.

სურათი 1ასახავს ჰიბრიდული ინტეგრირებული აქტიური/პასიური PIC-ების კონცეფციას, სადაც ერთი ლითოგრაფიული პროცესი საშუალებას იძლევა ორივე ტიპის კომპონენტის შეუფერხებლად გასწორებისა და ინტეგრაციის.

ფოტოდეტექტორების ინტეგრაცია

ფოტოდეტექტორების LNOI-ზე დაფუძნებულ PIC-ებში ინტეგრირება სრულად ფუნქციონალური სისტემებისკენ გადადგმული კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ნაბიჯია. ამჟამად ორი ძირითადი მიდგომაა შესწავლის პროცესში:

ა) ჰეტეროგენული ინტეგრაცია:
ნახევარგამტარული ნანოსტრუქტურები შეიძლება დროებით დაუკავშირდეს LNOI ტალღამტარებს. თუმცა, დეტექციის ეფექტურობისა და მასშტაბირების გაუმჯობესება კვლავ საჭიროა.

ბ) არაწრფივი ტალღის სიგრძის გადაქცევა:
LN-ის არაწრფივი თვისებები საშუალებას იძლევა სიხშირის გარდაქმნა ტალღის გამტარებში, რაც საშუალებას იძლევა სტანდარტული სილიკონის ფოტოდეტექტორების გამოყენებისა სამუშაო ტალღის სიგრძის მიუხედავად.

დასკვნა

LNOI ტექნოლოგიის სწრაფი განვითარება ინდუსტრიას უნივერსალურ PIC პლატფორმასთან აახლოებს, რომელსაც ფართო სპექტრის აპლიკაციების მომსახურება შეუძლია. არსებული გამოწვევების გადაჭრით და მონოლითური და დეტექტორული ინტეგრაციის ინოვაციების წინ წაწევით, LNOI-ზე დაფუძნებულ PIC-ებს აქვთ პოტენციალი, რევოლუცია მოახდინონ ისეთ სფეროებში, როგორიცაა ტელეკომუნიკაციები, კვანტური ინფორმაცია და ზონდირება.

LNOI-ს აქვს მასშტაბირებადი PIC-ების (PIC) დიდი ხნის ხედვის განხორციელების დაპირება, რაც შეესაბამება EIC-ების წარმატებასა და გავლენას. კვლევისა და განვითარების უწყვეტი ძალისხმევა, როგორიცაა ნანკინის ფოტონიკის პროცესის პლატფორმისა და XiaoyaoTech დიზაინის პლატფორმის (XiaoyaoTech Design Platform) მიერ განხორციელებული ძალისხმევა, გადამწყვეტი იქნება ინტეგრირებული ფოტონიკის მომავლის ჩამოყალიბებასა და ტექნოლოგიურ სფეროებში ახალი შესაძლებლობების გახსნაში.