ליתיום ניובט על מבודד (LNOI): מניע את התקדמות המעגלים המשולבים הפוטוניים

מָבוֹא

בהשראת הצלחתם של מעגלים משולבים אלקטרוניים (EICs), תחום המעגלים המשולבים הפוטוניים (PICs) התפתח מאז הקמתו בשנת 1969. עם זאת, בניגוד ל-EICs, פיתוח פלטפורמה אוניברסלית המסוגלת לתמוך ביישומים פוטוניים מגוונים נותר אתגר מרכזי. מאמר זה בוחן את טכנולוגיית הליתיום ניובט על מבודד (LNOI) המתפתחת, שהפכה במהירות לפתרון מבטיח עבור PICs מהדור הבא.

עלייתה של טכנולוגיית LNOI

ליתיום ניובט (LN) מוכר זה מכבר כחומר מפתח ליישומים פוטוניים. עם זאת, רק עם הופעתו של LNOI בשכבה דקה וטכניקות ייצור מתקדמות, הפוטנציאל המלא שלו נוצל. חוקרים הדגימו בהצלחה מוליכי גל רכס בעלי הפסדים נמוכים במיוחד ומיקרו-רזונטורים בעלי Q גבוה במיוחד על פלטפורמות LNOI [1], מה שסימן קפיצת מדרגה משמעותית בפוטוניקה משולבת.

יתרונות עיקריים של טכנולוגיית LNOI

• אובדן אופטי נמוך במיוחד(נמוך עד 0.01 dB/cm)
• מבנים ננו-פוטוניים באיכות גבוהה
• תמיכה בתהליכים אופטיים לא ליניאריים מגוונים
• כוונון אלקטרו-אופטי משולב (EO)

תהליכים אופטיים לא ליניאריים על LNOI

מבנים ננו-פוטוניים בעלי ביצועים גבוהים המיוצרים בפלטפורמת LNOI מאפשרים מימוש של תהליכים אופטיים לא ליניאריים מרכזיים ביעילות יוצאת דופן ובכוח משאבה מינימלי. התהליכים המוכחים כוללים:

• דור הרמוני שני (SHG)
• יצירת תדירות סכום (SFG)
• יצירת תדר הפרש (DFG)
• המרה פרמטרית כלפי מטה (PDC)
• ערבוב ארבעה גלים (FWM)

מגוון תוכניות התאמת פאזות יושמו כדי לייעל תהליכים אלה, ובכך ביססו את LNOI כפלטפורמה אופטית לא לינארית רב-תכליתית ביותר.

התקנים משולבים הניתנים לכוונון אלקטרו-אופטי

טכנולוגיית LNOI אפשרה גם פיתוח של מגוון רחב של התקנים פוטוניים אקטיביים ופסיביים הניתנים לכוונון, כגון:

• מודולטורים אופטיים במהירות גבוהה
• מעגלי PIC רב-תכליתיים הניתנים להגדרה מחדש
• מסרקי תדר מתכווננים
• קפיצים מיקרו-אופטו-מכניים

מכשירים אלה ממנפים את תכונות ה-EO הפנימיות של ליתיום ניובט כדי להשיג בקרה מדויקת ומהירה של אותות אור.

יישומים מעשיים של פוטוניקה של LNOI

PICs מבוססי LNOI מאומצים כעת במספר הולך וגדל של יישומים מעשיים, כולל:

• ממירים ממיקרוגל לאופטי
• חיישנים אופטיים
• ספקטרומטרים על שבב
• מסרקי תדר אופטיים
• מערכות תקשורת מתקדמות

יישומים אלה מדגימים את הפוטנציאל של LNOI להתאים את הביצועים של רכיבים אופטיים בתפזורת, תוך הצעת פתרונות ניתנים להרחבה ויעילים באנרגיה באמצעות ייצור פוטוליגרפי.

אתגרים עכשוויים וכיוונים עתידיים

למרות ההתקדמות המבטיחה, טכנולוגיית LNOI ניצבת בפני מספר מכשולים טכניים:

א) צמצום נוסף של אובדן אופטי
אובדן מוליך הגל הנוכחי (0.01 dB/cm) עדיין גבוה בסדר גודל ממגבלת הבליעה של החומר. יש צורך בהתקדמות בטכניקות חיתוך יונים ובננו-ייצור כדי להפחית את חספוס פני השטח ופגמים הקשורים לבליעה.

ב) שליטה משופרת בגיאומטריית מוליך הגל
הפעלת מוליכי גל מתחת ל-700 ננומטר ופערי צימוד מתחת ל-2 מיקרומטר מבלי להתפשר על חזרתיות או להגדיל את אובדן ההתפשטות היא קריטית לצפיפות אינטגרציה גבוהה יותר.

ג) שיפור יעילות הצימוד
בעוד שסיבים מחודדים וממירי מצבים מסייעים בהשגת יעילות צימוד גבוהה, ציפויים נגד השתקפות יכולים להפחית עוד יותר את השתקפויות הממשק בין אוויר לחומר.

ד) פיתוח רכיבי קיטוב בעלי הפסדים נמוכים
התקנים פוטוניים שאינם רגישים לקיטוב על גבי LNOI הם חיוניים, ודורשים רכיבים התואמים את הביצועים של מקטבים בחלל חופשי.

ה) שילוב של אלקטרוניקת בקרה
שילוב יעיל של אלקטרוניקה בקרה בקנה מידה גדול מבלי לפגוע בביצועים האופטיים הוא כיוון מחקר מרכזי.

ו) התאמת פאזות והנדסת פיזור מתקדמת
עיצוב דומיינים אמין ברזולוציה תת-מיקרונית חיוני לאופטיקה לא לינארית, אך נותרה טכנולוגיה לא בשלה בפלטפורמת LNOI.

ז) פיצוי על פגמי ייצור
טכניקות לצמצום שינויי פאזה הנגרמים משינויים סביבתיים או שינויים בייצור חיוניות לפריסה בעולם האמיתי.

ח) צימוד רב-שבבים יעיל
טיפול בצימוד יעיל בין שבבי LNOI מרובים הכרחי כדי להתרחב מעבר למגבלות האינטגרציה של פרוסה בודדת.

אינטגרציה מונוליטית של רכיבים אקטיביים ופסיביים

אתגר מרכזי עבור רכיבי LNOI PIC הוא שילוב מונוליתי חסכוני של רכיבים אקטיביים ופסיביים כגון:

• לייזרים
• גלאים
• ממירים לא ליניאריים באורך גל
• מודולטורים
• מרבבים/דה-מרבבים

האסטרטגיות הנוכחיות כוללות:

א) סימום יונים של LNOI:
סימום סלקטיבי של יונים פעילים לאזורים ייעודיים יכול להוביל למקורות אור על השבב.

ב) קשרים ואינטגרציה הטרוגנית:
חיבור של שבבי LNOI פסיביים מוכנים מראש עם שכבות LNOI מסוממות או לייזרים III-V מספק נתיב חלופי.

ג) ייצור פרוסות LNOI היברידיות אקטיביות/פסיביות:
גישה חדשנית כוללת חיבור פרוסות LN מסוממות ולא מסוממות לפני חיתוך יונים, וכתוצאה מכך נוצרות פרוסות LNOI עם אזורים פעילים ופסיביים כאחד.

איור 1ממחיש את הקונספט של רכיבי PIC היברידיים משולבים אקטיביים/פסיביים, שבהם תהליך ליתוגרפי יחיד מאפשר יישור ואינטגרציה חלקים של שני סוגי הרכיבים.

שילוב גלאי אור

שילוב גלאי פוטואלקטריים במעגלים מודיפיקטיביים מבוססי LNOI הוא צעד מכריע נוסף לקראת מערכות מתפקדות במלואן. שתי גישות עיקריות נמצאות בבדיקה:

א) אינטגרציה הטרוגנית:
ניתן לחבר ננו-מבנים של מוליכים למחצה באופן זמני למוליכי גל LNOI. עם זאת, עדיין נדרשים שיפורים ביעילות הגילוי ובמדרגיות.

ב) המרת אורך גל לא ליניארי:
התכונות הלא ליניאריות של LN מאפשרות המרת תדרים בתוך מוליכי גל, מה שמאפשר שימוש בגלאי פוטו סיליקון סטנדרטיים ללא קשר לאורך הגל הפעיל.

מַסְקָנָה

ההתקדמות המהירה של טכנולוגיית LNOI מקרבת את התעשייה לפלטפורמת PIC אוניברסלית המסוגלת לשרת מגוון רחב של יישומים. על ידי התמודדות עם אתגרים קיימים וקידום חדשנות בשילוב מונוליטיים וגלאים, ל-PICs מבוססי LNOI יש פוטנציאל לחולל מהפכה בתחומים כמו טלקומוניקציה, מידע קוונטי וחישה.

ל-LNOI יש את ההבטחה להגשים את החזון ארוך השנים של PICs ניתנים להרחבה, שיתאימו להצלחה ולהשפעה של EICs. מאמצי מחקר ופיתוח מתמשכים - כמו אלה של פלטפורמת תהליכי הפוטוניקה של נאנג'ינג ופלטפורמת העיצוב XiaoyaoTech - יהיו מרכזיים בעיצוב עתיד הפוטוניקה המשולבת ובפתיחת אפשרויות חדשות בתחומי טכנולוגיה שונים.