Pambuka
Diilhami saka suksese sirkuit terpadu elektronik (EIC), bidang sirkuit terpadu fotonik (PIC) wis berkembang wiwit diwiwiti ing taun 1969. Nanging, ora kaya EIC, pangembangan platform universal sing bisa ndhukung aplikasi fotonik sing maneka warna tetep dadi tantangan utama. Artikel iki nylidiki teknologi Lithium Niobate on Insulator (LNOI) sing berkembang, sing kanthi cepet dadi solusi sing apik kanggo PIC generasi sabanjure.
Munggah Teknologi LNOI
Lithium niobate (LN) wis suwe diakoni minangka bahan utama kanggo aplikasi fotonik. Nanging, mung karo tekane saka film tipis LNOI lan Techniques fabrikasi majeng wis potensial lengkap wis dikunci. Peneliti wis sukses nduduhake pandu gelombang ultra-low-loss ridge lan ultra-high-Q microresonators ing platform LNOI [1], nandhani lompatan sing signifikan ing fotonik terpadu.
Kaluwihan Utama Teknologi LNOI
- Mundhut optik ultra-rendah(nganti 0,01 dB/cm)
- Struktur nanofotonik berkualitas tinggi
- Dhukungan kanggo macem-macem pangolahan optik nonlinear
- Integrasi elektro-optik (EO) tunability
Proses Optik Nonlinier ing LNOI
Struktur nanofotonik kinerja dhuwur sing digawe ing platform LNOI mbisakake proses optik nonlinier kunci kanthi efisiensi sing luar biasa lan daya pompa minimal. Proses sing dituduhake kalebu:
- Generasi Harmonik Kedua (SHG)
- Generasi Frekuensi Sum (SFG)
- Generasi Frekuensi Beda (DFG)
- Parametric Down-Conversion (PDC)
- Four-Wave Mixing (FWM)
Macem-macem skema pencocokan fase wis ditindakake kanggo ngoptimalake proses kasebut, nggawe LNOI minangka platform optik nonlinear sing serbaguna.
Piranti Integrated Electro-Optically Tunable
Teknologi LNOI uga wis ngaktifake pangembangan macem-macem piranti fotonik sing aktif lan pasif, kayata:
- Modulator optik kanthi kacepetan dhuwur
- PIC multifungsi sing bisa dikonfigurasi ulang
- Sisir frekuensi tunable
- Mata air mikro-optomekanik
Piranti kasebut nggunakake sifat EO intrinsik saka lithium niobate kanggo entuk kontrol sinyal cahya sing akurat lan cepet.
Aplikasi Praktis LNOI Photonics
PIC berbasis LNOI saiki diadopsi ing akeh aplikasi praktis, kalebu:
- Konverter gelombang mikro menyang optik
- Sensor optik
- Spektrometer on-chip
- Sisir frekuensi optik
- Sistem telekomunikasi canggih
Aplikasi kasebut nuduhake potensial LNOI kanggo cocog karo kinerja komponen optik akeh, nalika nawakake solusi sing bisa diukur lan efisien energi liwat fabrikasi fotolitografi.
Tantangan Saiki lan Arah Masa Depan
Senadyan kemajuan sing janjeni, teknologi LNOI ngadhepi sawetara alangan teknis:
a) Luwih Ngurangi Loss Optical
Waveguide mundhut saiki (0,01 dB / cm) isih urutan gedhene luwih saka watesan panyerepan materi. Maju ing teknik ngiris ion lan nanofabrikasi dibutuhake kanggo nyuda kekasaran permukaan lan cacat sing ana gandhengane karo penyerapan.
b) Ngapikake Waveguide Geometri Kontrol
Ngaktifake pandu gelombang sub-700 nm lan kesenjangan kopling sub-2 μm tanpa ngorbanake keterulangan utawa nambah mundhut propagasi penting kanggo kapadhetan integrasi sing luwih dhuwur.
c) Ningkatake Efisiensi Kopling
Nalika serat tapered lan konverter mode mbantu entuk efisiensi kopling sing dhuwur, lapisan anti-refleksi luwih bisa nyuda refleksi antarmuka bahan udara.
d) Pangembangan Komponen Polarisasi Low-Loss
Piranti fotonik sing ora sensitif polarisasi ing LNOI penting, mbutuhake komponen sing cocog karo kinerja polarizer ruang bebas.
e) Integrasi Kontrol Elektronik
Nggabungake elektronik kontrol skala gedhe kanthi efektif tanpa ngrusak kinerja optik minangka arah riset utama.
f) Matching Phase Maju lan Rekayasa Dispersi
Pola domain sing dipercaya ing resolusi sub-mikron penting banget kanggo optik nonlinier nanging tetep dadi teknologi sing durung dewasa ing platform LNOI.
g) Ganti rugi kanggo Cacat Fabrikasi
Teknik kanggo nyuda owah-owahan fase sing disebabake dening owah-owahan lingkungan utawa variasi fabrikasi penting kanggo panyebaran ing donya nyata.
h) Coupling Multi-Chip Efisien
Ngatasi kopling efisien antarane sawetara Kripik LNOI perlu kanggo ukuran ngluwihi wates integrasi wafer siji.
Integrasi Monolitik saka Komponen Aktif lan Pasif
Tantangan inti kanggo LNOI PICs yaiku integrasi monolitik sing efektif saka komponen aktif lan pasif kayata:
- Laser
- Detektor
- Konverter dawa gelombang nonlinier
- Modulator
- Multiplexer / Demultiplexer
Strategi saiki kalebu:
a) Doping Ion LNOI:
Doping selektif saka ion aktif menyang wilayah sing ditemtokake bisa nyebabake sumber cahya on-chip.
b) Ikatan lan Integrasi Heterogen:
Ikatan pra-fabrikasi LNOI PICs karo lapisan LNOI doped utawa laser III-V menehi dalan alternatif.
c) Fabrikasi Wafer LNOI Hibrid Aktif/Pasif:
Pendekatan inovatif nyakup ikatan wafer LN doped lan undoped sadurunge ngiris ion, ngasilake wafer LNOI kanthi wilayah aktif lan pasif.
Gambar 1nggambarake konsep hibrida terpadu aktif / PICs pasif, ngendi proses lithographic siji mbisakake alignment rapi lan integrasi saka loro jinis komponen.
Integrasi saka Photodetector
Nggabungake photodetector menyang PIC berbasis LNOI minangka langkah penting liyane kanggo sistem sing bisa digunakake kanthi lengkap. Loro pendekatan utama sing diselidiki:
a) Integrasi Heterogen:
Struktur nano semikonduktor bisa digandhengake karo pandu gelombang LNOI. Nanging, perbaikan efisiensi deteksi lan skalabilitas isih dibutuhake.
b) Konversi Panjang Gelombang Nonlinier:
Sifat nonlinier LN ngidini konversi frekuensi ing pandu gelombang, ngidini panggunaan fotodetektor silikon standar tanpa preduli saka dawa gelombang operasi.
Kesimpulan
Kemajuan teknologi LNOI kanthi cepet ndadekake industri nyedhaki platform PIC universal sing bisa nyedhiyakake macem-macem aplikasi. Kanthi ngatasi tantangan sing ana lan nyurung inovasi ing integrasi monolitik lan detektor, PIC berbasis LNOI duweni potensi kanggo ngowahi revolusi bidang kaya telekomunikasi, informasi kuantum, lan sensing.
LNOI njanjeni janji kanggo netepi visi sing wis suwe babagan PIC sing bisa diukur, cocog karo sukses lan pengaruhe EIC. Upaya R&D sing terus-terusan-kayata saka Platform Proses Fotonik Nanjing lan Platform Desain XiaoyaoTech-bakal dadi penting kanggo mbentuk masa depan fotonik terpadu lan mbukak kunci kemungkinan anyar ing domain teknologi.
Wektu kirim: Jul-18-2025