Panimula
Dahil sa inspirasyon ng tagumpay ng electronic integrated circuits (EICs), ang larangan ng photonic integrated circuits (PICs) ay umuunlad mula noong umpisahan ito noong 1969. Gayunpaman, hindi katulad ng mga EIC, ang pagbuo ng isang unibersal na platform na may kakayahang suportahan ang magkakaibang mga photonic application ay nananatiling isang malaking hamon. Sinasaliksik ng artikulong ito ang umuusbong na teknolohiyang Lithium Niobate on Insulator (LNOI), na mabilis na naging isang magandang solusyon para sa mga susunod na henerasyong PIC.
Ang Pagtaas ng LNOI Technology
Ang Lithium niobate (LN) ay matagal nang kinikilala bilang isang pangunahing materyal para sa photonic application. Gayunpaman, sa pagdating lamang ng thin-film na LNOI at mga advanced na pamamaraan ng fabrication ay na-unlock ang buong potensyal nito. Matagumpay na naipakita ng mga mananaliksik ang mga ultra-low-loss ridge waveguides at ultra-high-Q microresonator sa mga platform ng LNOI [1], na nagmamarka ng isang makabuluhang hakbang sa pinagsamang photonics.
Mga Pangunahing Kalamangan ng LNOI Technology
- Napakababang optical loss(kasing baba ng 0.01 dB/cm)
- Mga de-kalidad na istrukturang nanophotonic
- Suporta para sa magkakaibang nonlinear optical na proseso
- Pinagsamang electro-optic (EO) tunability
Mga Nonlinear na Optical na Proseso sa LNOI
Ang mga istrukturang nanophotonic na may mataas na pagganap na gawa sa platform ng LNOI ay nagbibigay-daan sa pagsasakatuparan ng mga pangunahing nonlinear na optical na proseso na may kahanga-hangang kahusayan at kaunting lakas ng bomba. Ang mga ipinakitang proseso ay kinabibilangan ng:
- Second Harmonic Generation (SHG)
- Sum Frequency Generation (SFG)
- Pagbuo ng Dalas ng Pagkakaiba (DFG)
- Parametric Down-Conversion (PDC)
- Four-Wave Mixing (FWM)
Ang iba't ibang mga phase-matching scheme ay ipinatupad upang ma-optimize ang mga prosesong ito, na nagtatatag ng LNOI bilang isang napakaraming gamit na nonlinear optical platform.
Electro-Optically Tunable Integrated Devices
Ang teknolohiya ng LNOI ay nagbigay-daan din sa pagbuo ng isang malawak na hanay ng mga aktibo at passive tunable photonic device, tulad ng:
- Mataas na bilis ng optical modulators
- Reconfigurable multifunctional PICs
- Mahimig na frequency combs
- Micro-optomechanical spring
Ginagamit ng mga device na ito ang mga intrinsic na katangian ng EO ng lithium niobate upang makamit ang tumpak at mataas na bilis na kontrol ng mga light signal.
Mga Praktikal na Aplikasyon ng LNOI Photonics
Ang mga PIC na nakabase sa LNOI ay pinagtibay na ngayon sa dumaraming bilang ng mga praktikal na aplikasyon, kabilang ang:
- Microwave-to-optical converter
- Mga optical sensor
- Mga on-chip spectrometer
- Optical frequency combs
- Mga advanced na sistema ng telekomunikasyon
Ang mga application na ito ay nagpapakita ng potensyal ng LNOI na tumugma sa pagganap ng mga bulk-optic na bahagi, habang nag-aalok ng scalable, enerhiya-efficient na mga solusyon sa pamamagitan ng photolithographic fabrication.
Mga Kasalukuyang Hamon at Direksyon sa Hinaharap
Sa kabila ng magandang pag-unlad nito, nahaharap ang teknolohiya ng LNOI sa ilang teknikal na hadlang:
a) Karagdagang Pagbawas ng Optical Loss
Ang kasalukuyang pagkawala ng waveguide (0.01 dB/cm) ay mas mataas pa rin kaysa sa limitasyon ng pagsipsip ng materyal. Ang mga pag-unlad sa mga diskarte sa paghiwa ng ion at nanofabrication ay kinakailangan upang mabawasan ang pagkamagaspang sa ibabaw at mga depektong nauugnay sa pagsipsip.
b) Pinahusay na Waveguide Geometry Control
Ang pagpapagana ng mga sub-700 nm waveguides at sub-2 μm coupling gaps nang hindi sinasakripisyo ang repeatability o pagtaas ng propagation loss ay napakahalaga para sa mas mataas na integration density.
c) Pagpapahusay ng Kahusayan ng Pagkabit
Habang ang mga tapered fibers at mode converter ay nakakatulong na makamit ang mataas na kahusayan sa pagkakabit, ang mga anti-reflection coatings ay maaaring higit pang magaan ang air-material interface reflections.
d) Pagbuo ng Low-Loss Polarization Components
Mahalaga ang polarization-insensitive na photonic device sa LNOI, na nangangailangan ng mga bahagi na tumutugma sa performance ng mga free-space polarizer.
e) Pagsasama ng Control Electronics
Ang epektibong pagsasama ng malakihang control electronics nang hindi nakakasira ng optical performance ay isang pangunahing direksyon ng pananaliksik.
f) Advanced na Phase Matching at Dispersion Engineering
Ang mapagkakatiwalaang domain patterning sa sub-micron na resolution ay mahalaga para sa nonlinear optics ngunit nananatiling isang hindi pa ganap na teknolohiya sa LNOI platform.
g) Kabayaran para sa mga Depekto sa Paggawa
Ang mga diskarte upang mabawasan ang mga pagbabago sa yugto na dulot ng mga pagbabago sa kapaligiran o mga pagkakaiba-iba ng fabrication ay mahalaga para sa real-world deployment.
h) Mahusay na Multi-Chip Coupling
Ang pagtugon sa mahusay na pagsasama sa pagitan ng maraming LNOI chips ay kinakailangan upang lumampas sa mga limitasyon ng pagsasama ng single-wafer.
Monolithic Integration ng Active at Passive Components
Ang pangunahing hamon para sa mga LNOI PIC ay ang cost-effective na monolitikong pagsasama ng mga aktibo at passive na bahagi tulad ng:
- Mga laser
- Mga Detektor
- Nonlinear wavelength converter
- Mga modulator
- Mga Multiplexer/Demultiplexer
Kasama sa mga kasalukuyang estratehiya ang:
a) Ion Doping ng LNOI:
Ang selective doping ng mga aktibong ion sa mga itinalagang rehiyon ay maaaring humantong sa mga on-chip na pinagmumulan ng liwanag.
b) Pagbubuklod at Heterogenous na Pagsasama:
Nagbibigay ng alternatibong landas ang pagbubuklod ng mga pre-fabricated na passive na LNOI PIC na may doped LNOI layers o III-V lasers.
c) Hybrid Active/Passive LNOI Wafer Fabrication:
Ang isang makabagong diskarte ay nagsasangkot ng pagbubuklod ng doped at undoped LN wafers bago ang paghiwa ng ion, na nagreresulta sa mga LNOI wafer na may parehong aktibo at passive na mga rehiyon.
Larawan 1inilalarawan ang konsepto ng hybrid integrated active/passive PICs, kung saan ang isang proseso ng lithographic ay nagbibigay-daan sa tuluy-tuloy na pagkakahanay at pagsasama ng parehong uri ng mga bahagi.
Pagsasama ng mga Photodetector
Ang pagsasama ng mga photodetector sa mga PIC na nakabatay sa LNOI ay isa pang mahalagang hakbang patungo sa mga ganap na gumaganang sistema. Dalawang pangunahing pamamaraan ang sinisiyasat:
a) Heterogenous Integration:
Ang mga semiconductor nanostructure ay maaaring pansamantalang isama sa mga LNOI waveguides. Gayunpaman, kailangan pa rin ang mga pagpapabuti sa kahusayan sa pagtuklas at scalability.
b) Nonlinear na Wavelength na Conversion:
Ang mga nonlinear na katangian ng LN ay nagbibigay-daan sa conversion ng dalas sa loob ng mga waveguides, na nagbibigay-daan sa paggamit ng mga karaniwang silicon photodetector anuman ang operating wavelength.
Konklusyon
Ang mabilis na pagsulong ng teknolohiya ng LNOI ay naglalapit sa industriya sa isang unibersal na platform ng PIC na may kakayahang maghatid ng malawak na hanay ng mga aplikasyon. Sa pamamagitan ng pagtugon sa mga kasalukuyang hamon at pagsusulong ng mga inobasyon sa monolitik at integrasyon ng detector, ang mga PIC na nakabase sa LNOI ay may potensyal na baguhin ang mga larangan tulad ng telekomunikasyon, impormasyon sa kabuuan, at sensing.
Pinanghahawakan ng LNOI ang pangako ng pagtupad sa matagal nang pananaw ng mga nasusukat na PIC, na tumutugma sa tagumpay at epekto ng mga EIC. Ang mga patuloy na pagsisikap sa R&D—gaya ng mula sa Nanjing Photonics Process Platform at XiaoyaoTech Design Platform—ay magiging mahalaga sa paghubog sa hinaharap ng pinagsamang photonics at pag-unlock ng mga bagong posibilidad sa mga domain ng teknolohiya.
Oras ng post: Hul-18-2025