Введение
Вдохновленная успехом электронных интегральных схем (ЭИС), область фотонных интегральных схем (ФИС) развивается с момента своего зарождения в 1969 году. Однако, в отличие от ЭИС, разработка универсальной платформы, способной поддерживать разнообразные фотонные приложения, остаётся серьёзной проблемой. В данной статье рассматривается новая технология ниобата лития на изоляторе (LNOI), которая быстро стала перспективным решением для ФИС нового поколения.
Расцвет технологии LNOI
Ниобат лития (НЛ) давно признан ключевым материалом для фотонных приложений. Однако его полный потенциал был раскрыт только с появлением тонкоплёночных ЛНОИ и передовых технологий производства. Исследователи успешно продемонстрировали гребневые волноводы со сверхнизкими потерями и сверхвысокодобротные микрорезонаторы на платформах ЛНОИ [1], что ознаменовало собой значительный скачок в развитии интегральной фотоники.
Ключевые преимущества технологии LNOI
- Сверхнизкие оптические потери(всего 0,01 дБ/см)
- Высококачественные нанофотонные структуры
- Поддержка различных нелинейных оптических процессов
- Интегрированная электрооптическая (ЭО) настраиваемость
Нелинейные оптические процессы на LNOI
Высокопроизводительные нанофотонные структуры, изготовленные на платформе LNOI, позволяют реализовывать ключевые нелинейные оптические процессы с исключительной эффективностью и минимальной мощностью накачки. Демонстрируемые процессы включают:
- Генерация второй гармоники (ГВГ)
- Генерация суммарной частоты (SFG)
- Генерация разностной частоты (ГРЧ)
- Параметрическое понижающее преобразование (PDC)
- Четырехволновое смешение (ЧВС)
Для оптимизации этих процессов были реализованы различные схемы фазового согласования, благодаря чему LNOI превратился в универсальную нелинейную оптическую платформу.
Электрооптически настраиваемые интегральные устройства
Технология LNOI также позволила разработать широкий спектр активных и пассивных настраиваемых фотонных устройств, таких как:
- Высокоскоростные оптические модуляторы
- Реконфигурируемые многофункциональные PIC
- Настраиваемые частотные гребни
- Микрооптомеханические пружины
Эти устройства используют внутренние ЭО-свойства ниобата лития для достижения точного и высокоскоростного управления световыми сигналами.
Практические применения LNOI-фотоники
В настоящее время PIC на основе LNOI находят все большее применение на практике, включая:
- Преобразователи СВЧ-излучения в оптическое
- Оптические датчики
- Встроенные спектрометры
- Оптические частотные гребни
- Передовые телекоммуникационные системы
Эти приложения демонстрируют потенциал LNOI, сопоставимый по производительности с объемными оптическими компонентами, и в то же время предлагающий масштабируемые, энергоэффективные решения за счет фотолитографического изготовления.
Текущие проблемы и будущие направления
Несмотря на многообещающий прогресс, технология LNOI сталкивается с рядом технических препятствий:
а) Дальнейшее снижение оптических потерь
Потери в волноводе тока (0,01 дБ/см) всё ещё на порядок превышают предел поглощения материала. Для снижения шероховатости поверхности и дефектов, связанных с поглощением, необходимы достижения в области технологий ионного слайсинга и нанопроизводства.
б) Улучшенный контроль геометрии волновода
Обеспечение использования волноводов длиной менее 700 нм и зазоров связи менее 2 мкм без ущерба для повторяемости или увеличения потерь при распространении имеет решающее значение для более высокой плотности интеграции.
в) Повышение эффективности сцепления
В то время как конические волокна и преобразователи мод помогают достичь высокой эффективности связи, антибликовые покрытия могут дополнительно смягчить отражения на границе раздела воздух-материал.
г) Разработка поляризационных компонентов с малыми потерями
Нечувствительные к поляризации фотонные устройства на основе LNOI имеют важное значение и требуют компонентов, которые соответствуют характеристикам поляризаторов в свободном пространстве.
д) Интеграция управляющей электроники
Эффективная интеграция крупномасштабной управляющей электроники без ухудшения оптических характеристик является ключевым направлением исследований.
f) Усовершенствованная технология фазового согласования и дисперсии
Надежное доменное моделирование с субмикронным разрешением имеет жизненно важное значение для нелинейной оптики, но остается незрелой технологией на платформе LNOI.
ж) Компенсация за дефекты изготовления
Методы смягчения фазовых сдвигов, вызванных изменениями окружающей среды или отклонениями в процессе изготовления, имеют важное значение для реального развертывания.
h) Эффективное многокристальное соединение
Для масштабирования за пределы интеграции одной пластины необходимо обеспечить эффективное взаимодействие между несколькими микросхемами LNOI.
Монолитная интеграция активных и пассивных компонентов
Основной задачей для LNOI PIC является экономически эффективная монолитная интеграция активных и пассивных компонентов, таких как:
- Лазеры
- Детекторы
- Нелинейные преобразователи длины волны
- Модуляторы
- Мультиплексоры/демультиплексоры
Текущие стратегии включают:
а) Ионное легирование ЛНОИ:
Избирательное легирование определенных областей активными ионами может привести к созданию источников света на кристалле.
б) Связывание и гетерогенная интеграция:
Альтернативным путем является соединение готовых пассивных LNOI-микросхем с легированными слоями LNOI или лазерами на III-V элементах.
c) Изготовление гибридных активно-пассивных пластин LNOI:
Инновационный подход заключается в склеивании легированных и нелегированных пластин LN перед ионным разрезанием, что приводит к получению пластин LNOI как с активными, так и с пассивными областями.
Рисунок 1иллюстрирует концепцию гибридных интегрированных активных/пассивных ФИС, где единый литографический процесс обеспечивает бесшовное совмещение и интеграцию обоих типов компонентов.
Интеграция фотодетекторов
Интеграция фотодетекторов в фотонно-инверторные интегральные схемы (ФИС) на основе LNOI — ещё один важный шаг на пути к созданию полнофункциональных систем. В настоящее время изучаются два основных подхода:
а) Гетерогенная интеграция:
Полупроводниковые наноструктуры могут быть временно связаны с волноводами LNOI. Однако всё ещё требуется повышение эффективности обнаружения и масштабируемости.
б) Нелинейное преобразование длины волны:
Нелинейные свойства LN позволяют осуществлять преобразование частоты внутри волноводов, что позволяет использовать стандартные кремниевые фотодетекторы независимо от рабочей длины волны.
Заключение
Стремительное развитие технологии LNOI приближает отрасль к созданию универсальной платформы PIC, способной решать широкий спектр задач. Решая существующие проблемы и продвигая инновации в области интеграции монолитных и детекторных схем, PIC на основе LNOI могут произвести революцию в таких областях, как телекоммуникации, квантовая информатика и сенсорика.
LNOI обещает воплотить в жизнь давнюю концепцию масштабируемых фотонных интегральных схем (ФИС), не уступая по успеху и влиянию ЭИС. Продолжение исследований и разработок, таких как проекты Nanjing Photonics Process Platform и XiaoyaoTech Design Platform, будет иметь решающее значение для формирования будущего интегрированной фотоники и открытия новых возможностей в различных технологических областях.
Время публикации: 18 июля 2025 г.