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, остается серьезной проблемой. В этой статье рассматривается перспективная технология ниобата лития на изоляторе (LNOI), которая быстро стала многообещающим решением для ФИС следующего поколения.
Расцвет технологии LNOI
Ниобат лития (LN) давно признан ключевым материалом для фотонных применений. Однако только с появлением тонкопленочных LNOI и передовых технологий изготовления был раскрыт весь его потенциал. Исследователи успешно продемонстрировали волноводы со сверхнизкими потерями и микрорезонаторы со сверхвысокой добротностью на платформах LNOI [1], что ознаменовало значительный скачок в интегрированной фотонике.
Основные преимущества технологии LNOI
- Сверхнизкие оптические потери(всего 0,01 дБ/см)
- Высококачественные нанофотонные структуры
- Поддержка разнообразных нелинейных оптических процессов
- Интегрированная электрооптическая (ЭО) перенастраиваемость
Нелинейные оптические процессы на LNOI
Высокоэффективные нанофотонные структуры, изготовленные на платформе LNOI, позволяют реализовать ключевые нелинейные оптические процессы с замечательной эффективностью и минимальной мощностью накачки. К продемонстрированным процессам относятся:
- Генерация второй гармоники (ГВГ)
- Генерация суммарной частоты (SFG)
- Генерация разностной частоты (DFG)
- Параметрическое понижение частоты (PDC)
- Четырехволновое смешение (FWM)
Для оптимизации этих процессов были реализованы различные схемы фазового согласования, что позволило LNOI зарекомендовать себя как высокоуниверсальная нелинейная оптическая платформа.
Электрооптически перестраиваемые интегральные устройства
Технология LNOI также позволила разработать широкий спектр активных и пассивных перестраиваемых фотонных устройств, таких как:
- Высокоскоростные оптические модуляторы
- Реконфигурируемые многофункциональные PIC-микросхемы
- Настраиваемые частотные гребенки
- Микрооптомеханические пружины
Эти устройства используют присущие ниобату лития электрооптические свойства для достижения точного и высокоскоростного управления световыми сигналами.
Практическое применение фотоники LNOI
Фотоинтегральные схемы на основе LNOI в настоящее время находят все большее применение в различных практических областях, включая:
- Микроволновые преобразователи в оптические
- Оптические датчики
- Встроенные спектрометры
- Оптические частотные гребенки
- Передовые телекоммуникационные системы
Эти примеры применения демонстрируют потенциал LNOI в достижении характеристик, сопоставимых с компонентами объемной оптики, и одновременно в предоставлении масштабируемых и энергоэффективных решений за счет фотолитографического изготовления.
Текущие вызовы и будущие направления
Несмотря на многообещающие успехи, технология LNOI сталкивается с рядом технических препятствий:
а) Дальнейшее снижение оптических потерь
Текущие потери в волноводах (0,01 дБ/см) по-прежнему на порядок выше предела поглощения материала. Для уменьшения шероховатости поверхности и дефектов, связанных с поглощением, необходимы достижения в технологиях ионной резки и наноизготовления.
б) Улучшенное управление геометрией волновода
Создание волноводов с длиной волны менее 700 нм и зазоров связи менее 2 мкм без ущерба для повторяемости или увеличения потерь при распространении имеет решающее значение для повышения плотности интеграции.
c) Повышение эффективности сопряжения
В то время как конические волокна и преобразователи мод способствуют достижению высокой эффективности связи, антиотражающие покрытия могут дополнительно уменьшить отражения на границе раздела воздух-материал.
d) Разработка поляризационных компонентов с низкими потерями
Фотонные устройства на основе LNOI, нечувствительные к поляризации, имеют важное значение и требуют компонентов, которые по своим характеристикам соответствуют поляризаторам свободного пространства.
e) Интеграция управляющей электроники
Эффективная интеграция крупномасштабной управляющей электроники без ухудшения оптических характеристик является ключевым направлением исследований.
f) Передовые методы согласования фаз и дисперсионной инженерии
Надежное формирование доменных структур с субмикронным разрешением имеет решающее значение для нелинейной оптики, но на платформе LNOI эта технология остается еще незрелой.
g) Компенсация производственных дефектов
Для практического применения в реальных условиях крайне важны методы, позволяющие смягчить фазовые сдвиги, вызванные изменениями окружающей среды или технологическими отклонениями.
h) Эффективное многокристальное соединение
Для масштабирования производства за пределы возможностей интеграции на одной пластине необходимо обеспечить эффективное взаимодействие между несколькими чипами LNOI.
Монолитная интеграция активных и пассивных компонентов.
Одной из ключевых задач для интегральных схем на основе LNOI является экономически эффективная монолитная интеграция активных и пассивных компонентов, таких как:
- Лазеры
- Детекторы
- Нелинейные преобразователи длины волны
- Модуляторы
- Мультиплексоры/демультиплексоры
В настоящее время применяются следующие стратегии:
а) Ионное легирование LNOI:
Селективное легирование активных ионов в заданных областях может привести к созданию источников света на чипе.
б) Связывание и гетерогенная интеграция:
Альтернативным путем является соединение предварительно изготовленных пассивных LNOI PIC-структур с легированными слоями LNOI или III-V лазерами.
c) Гибридная технология изготовления активных/пассивных LNOI-пластин:
Инновационный подход включает в себя соединение легированных и нелегированных пластин LN перед ионной нарезкой, в результате чего получаются пластины LNOI, содержащие как активные, так и пассивные области.
Рисунок 1Иллюстрирует концепцию гибридных интегрированных активных/пассивных фотонных интегральных схем, где единый литографический процесс обеспечивает бесшовное выравнивание и интеграцию обоих типов компонентов.
Интеграция фотодетекторов
Интеграция фотодетекторов в интегральные схемы на основе LNOI — еще один важный шаг на пути к созданию полнофункциональных систем. В настоящее время исследуются два основных подхода:
а) Гетерогенная интеграция:
Полупроводниковые наноструктуры могут быть временно соединены с волноводами LNOI. Однако по-прежнему необходимы улучшения в эффективности обнаружения и масштабируемости.
б) Нелинейное преобразование длины волны:
Нелинейные свойства ниобата лития позволяют осуществлять преобразование частоты внутри волноводов, что дает возможность использовать стандартные кремниевые фотодетекторы независимо от рабочей длины волны.
Заключение
Быстрое развитие технологии LNOI приближает отрасль к созданию универсальной платформы PIC, способной обслуживать широкий спектр приложений. Решая существующие проблемы и продвигая инновации в монолитной и детекторной интеграции, PIC на основе LNOI имеют потенциал для революционных изменений в таких областях, как телекоммуникации, квантовая информация и сенсорика.
LNOI обещает воплотить в жизнь давнюю идею масштабируемых фотонных интегральных схем, сопоставимую по успеху и влиянию с электронными интегральными схемами. Продолжение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, таких как работы Нанкинской платформы фотонных процессов и платформы проектирования XiaoyaoTech, будет иметь решающее значение для формирования будущего интегрированной фотоники и открытия новых возможностей в различных технологических областях.
Дата публикации: 18 июля 2025 г.