Invoering
Geïnspireerd door het succes van elektronische geïntegreerde schakelingen (EIC's) heeft het vakgebied van fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) zich sinds de oprichting in 1969 verder ontwikkeld. In tegenstelling tot EIC's blijft de ontwikkeling van een universeel platform dat diverse fotonische toepassingen kan ondersteunen echter een grote uitdaging. Dit artikel onderzoekt de opkomende Lithium Niobate on Insulator (LNOI)-technologie, die zich snel heeft ontwikkeld tot een veelbelovende oplossing voor de volgende generatie PIC's.
De opkomst van LNOI-technologie
Lithiumniobaat (LN) wordt al lang erkend als een belangrijk materiaal voor fotonische toepassingen. Pas met de komst van dunnefilm-LNOI en geavanceerde fabricagetechnieken wordt het volledige potentieel ervan echter benut. Onderzoekers hebben met succes ridge-golfgeleiders met extreem lage verliezen en microresonatoren met ultrahoge Q-kwaliteit op LNOI-platforms gedemonstreerd [1], wat een aanzienlijke sprong voorwaarts betekent in de geïntegreerde fotonica.
Belangrijkste voordelen van LNOI-technologie
- Ultralaag optisch verlies(zo laag als 0,01 dB/cm)
- Hoogwaardige nanofotonische structuren
- Ondersteuning voor diverse niet-lineaire optische processen
- Geïntegreerde elektro-optische (EO) afstembaarheid
Niet-lineaire optische processen op LNOI
Hoogwaardige nanofotonische structuren, vervaardigd op het LNOI-platform, maken de realisatie van belangrijke niet-lineaire optische processen mogelijk met opmerkelijke efficiëntie en minimaal pompvermogen. Gedemonstreerde processen omvatten:
- Tweede Harmonische Generatie (SHG)
- Somfrequentiegeneratie (SFG)
- Verschilfrequentiegeneratie (DFG)
- Parametrische down-conversie (PDC)
- Vier-Wave Mixing (FWM)
Er zijn verschillende faseaanpassingsschema's geïmplementeerd om deze processen te optimaliseren, waardoor LNOI een uiterst veelzijdig niet-lineair optisch platform is geworden.
Elektro-optisch afstembare geïntegreerde apparaten
De LNOI-technologie heeft ook de ontwikkeling mogelijk gemaakt van een breed scala aan actieve en passieve afstembare fotonische apparaten, zoals:
- Hoge snelheid optische modulatoren
- Herconfigureerbare multifunctionele PIC's
- Afstembare frequentiekammen
- Micro-optomechanische veren
Deze apparaten maken gebruik van de intrinsieke EO-eigenschappen van lithiumniobaat om een nauwkeurige, snelle regeling van lichtsignalen te realiseren.
Praktische toepassingen van LNOI-fotonica
LNOI-gebaseerde PIC's worden nu in een groeiend aantal praktische toepassingen toegepast, waaronder:
- Microgolf-naar-optische converters
- Optische sensoren
- On-chip spectrometers
- Optische frequentiekammen
- Geavanceerde telecommunicatiesystemen
Deze toepassingen tonen aan dat LNOI de prestaties van bulk-optische componenten kan evenaren en tegelijkertijd schaalbare, energiezuinige oplossingen kan bieden via fotolithografische fabricage.
Huidige uitdagingen en toekomstige richtingen
Ondanks de veelbelovende vooruitgang kampt de LNOI-technologie met verschillende technische obstakels:
a) Verdere vermindering van optisch verlies
Het huidige golfgeleiderverlies (0,01 dB/cm) ligt nog steeds een orde van grootte hoger dan de materiaalabsorptielimiet. Vooruitgang in ionenslicingtechnieken en nanofabricage is nodig om oppervlakteruwheid en absorptiegerelateerde defecten te verminderen.
b) Verbeterde controle van de golfgeleidergeometrie
Het mogelijk maken van golfgeleiders van minder dan 700 nm en koppelingsopeningen van minder dan 2 μm zonder dat dit ten koste gaat van de herhaalbaarheid of het voortplantingsverlies toeneemt, is cruciaal voor een hogere integratiedichtheid.
c) Verbetering van de koppelingsefficiëntie
Hoewel taps toelopende vezels en modusomvormers een hoge koppelingsefficiëntie helpen bereiken, kunnen antireflectiecoatings de reflecties op de lucht-materiaalinterface verder verminderen.
d) Ontwikkeling van polarisatiecomponenten met een laag verlies
Polarisatie-ongevoelige fotonische apparaten op LNOI zijn essentieel en vereisen componenten die qua prestaties overeenkomen met polarisatoren in de vrije ruimte.
e) Integratie van regelelektronica
Het effectief integreren van grootschalige regelelektronica zonder dat dit ten koste gaat van de optische prestaties, is een belangrijke onderzoeksrichting.
f) Geavanceerde fase-matching en dispersietechniek
Betrouwbare domeinpatronen met submicronresolutie zijn essentieel voor niet-lineaire optica, maar zijn nog niet volledig ontwikkeld op het LNOI-platform.
g) Compensatie voor fabricagefouten
Technieken om faseverschuivingen als gevolg van omgevingsveranderingen of productieverschillen te beperken, zijn essentieel voor implementatie in de praktijk.
h) Efficiënte multi-chipkoppeling
Het is noodzakelijk om de koppeling tussen meerdere LNOI-chips efficiënt te maken om op te schalen voorbij de grenzen van de integratie van één wafer.
Monolithische integratie van actieve en passieve componenten
Een belangrijke uitdaging voor LNOI PIC's is de kosteneffectieve monolithische integratie van actieve en passieve componenten, zoals:
- Lasers
- Detectoren
- Niet-lineaire golflengteconverters
- Modulatoren
- Multiplexers/Demultiplexers
Huidige strategieën omvatten:
a) Ionendoping van LNOI:
Selectieve doping van actieve ionen in aangewezen gebieden kan leiden tot lichtbronnen op de chip.
b) Binding en heterogene integratie:
Het verbinden van geprefabriceerde passieve LNOI PIC's met gedoteerde LNOI-lagen of III-V-lasers biedt een alternatieve oplossing.
c) Hybride actieve/passieve LNOI-waferfabricage:
Een innovatieve aanpak houdt in dat gedoteerde en ongedoteerde LN-wafers aan elkaar worden gebonden vóór ion slicing, wat resulteert in LNOI-wafers met zowel actieve als passieve regio's.
Figuur 1illustreert het concept van hybride geïntegreerde actieve/passieve PIC's, waarbij één enkel lithografisch proces naadloze uitlijning en integratie van beide typen componenten mogelijk maakt.
Integratie van fotodetectoren
Het integreren van fotodetectoren in LNOI-gebaseerde PIC's is een andere cruciale stap op weg naar volledig functionele systemen. Twee primaire benaderingen worden onderzocht:
a) Heterogene integratie:
Halfgeleider nanostructuren kunnen tijdelijk worden gekoppeld aan LNOI-golfgeleiders. Verbeteringen in detectie-efficiëntie en schaalbaarheid zijn echter nog steeds nodig.
b) Niet-lineaire golflengteconversie:
De niet-lineaire eigenschappen van LN maken frequentieomzetting binnen golfgeleiders mogelijk, waardoor standaard siliciumfotodetectoren kunnen worden gebruikt, ongeacht de bedrijfsgolflengte.
Conclusie
De snelle vooruitgang van LNOI-technologie brengt de industrie dichter bij een universeel PIC-platform dat een breed scala aan toepassingen kan bedienen. Door bestaande uitdagingen aan te pakken en innovaties op het gebied van monolithische en detectorintegratie te stimuleren, hebben LNOI-gebaseerde PIC's de potentie om een revolutie teweeg te brengen in sectoren zoals telecommunicatie, kwantuminformatie en detectie.
LNOI belooft de lang gekoesterde visie van schaalbare PIC's te vervullen, die het succes en de impact van EIC's evenaart. Voortdurende R&D-inspanningen – zoals die van het Nanjing Photonics Process Platform en het XiaoyaoTech Design Platform – zullen cruciaal zijn voor het vormgeven van de toekomst van geïntegreerde fotonica en het ontsluiten van nieuwe mogelijkheden in alle technologische domeinen.
Plaatsingstijd: 18-07-2025