Ներածություն
Էլեկտրոնային ինտեգրալ սխեմաների (ԷԻՍ) հաջողությունից ոգեշնչված՝ ֆոտոնային ինտեգրալ սխեմաների (ՖԻՍ) ոլորտը զարգանում է 1969 թվականին իր ստեղծումից ի վեր: Այնուամենայնիվ, ի տարբերություն ԷԻՍ-ների, բազմազան ֆոտոնային կիրառություններ ապահովելու ունակ ունիվերսալ հարթակի մշակումը մնում է լուրջ մարտահրավեր: Այս հոդվածը ուսումնասիրում է ի հայտ եկող լիթիումի նիոբատային մեկուսիչի (ԼՆԻ) տեխնոլոգիան, որը արագորեն դարձել է խոստումնալից լուծում հաջորդ սերնդի ՖԻՍ-ների համար:
LNOI տեխնոլոգիայի վերելքը
Լիթիումի նիոբատը (LN) վաղուց ճանաչվել է որպես ֆոտոնային կիրառությունների հիմնական նյութ: Այնուամենայնիվ, միայն բարակ թաղանթային LNOI-ի և արտադրության առաջադեմ տեխնիկայի ի հայտ գալու շնորհիվ է դրա ողջ ներուժը բացահայտվել: Հետազոտողները հաջողությամբ ցուցադրել են գերցածր կորուստներով լեռնաշղթայով ալիքատարներ և գերբարձր Q միկրոռեզոնատորներ LNOI հարթակների վրա [1], ինչը նշանակալի առաջընթաց է ինտեգրված ֆոտոնիկայում:
LNOI տեխնոլոգիայի հիմնական առավելությունները
- Գերցածր օպտիկական կորուստ(մինչև 0.01 դԲ/սմ)
- Բարձրորակ նանոֆոտոնային կառուցվածքներ
- Աջակցություն բազմազան ոչ գծային օպտիկական գործընթացների համար
- Ինտեգրված էլեկտրաօպտիկական (EO) կարգավորման հնարավորություն
Ոչ գծային օպտիկական պրոցեսներ LNOI-ի վրա
LNOI հարթակի վրա պատրաստված բարձր արդյունավետությամբ նանոֆոտոնային կառուցվածքները հնարավորություն են տալիս իրականացնել հիմնական ոչ գծային օպտիկական գործընթացներ՝ ուշագրավ արդյունավետությամբ և նվազագույն պոմպային հզորությամբ: Ցուցադրված գործընթացները ներառում են.
- Երկրորդ հարմոնիկ սերունդ (SHG)
- Գումարային հաճախականության ստեղծում (SFG)
- Տարբերության հաճախականության ստեղծում (DFG)
- Պարամետրիկ անկման փոխակերպում (PDC)
- Չորսալիքային խառնում (FWM)
Այս գործընթացները օպտիմալացնելու համար ներդրվել են տարբեր փուլերի համապատասխանեցման սխեմաներ, որոնք LNOI-ը դարձնում են բարձր բազմակողմանի ոչ գծային օպտիկական հարթակ։
Էլեկտրաօպտիկորեն կարգավորվող ինտեգրված սարքեր
LNOI տեխնոլոգիան նաև հնարավորություն է տվել մշակել ակտիվ և պասիվ կարգավորվող ֆոտոնային սարքերի լայն տեսականի, ինչպիսիք են՝
- Բարձր արագությամբ օպտիկական մոդուլյատորներ
- Վերակազմաձևվող բազմաֆունկցիոնալ PIC-ներ
- Կարգավորելի հաճախականության սանրեր
- Միկրոօպտոմեխանիկական զսպանակներ
Այս սարքերը օգտագործում են լիթիումի նիոբատի ներքին EO հատկությունները՝ լուսային ազդանշանների ճշգրիտ, բարձր արագությամբ կառավարում ապահովելու համար։
LNOI ֆոտոնիկայի գործնական կիրառությունները
LNOI-ի վրա հիմնված PIC-ները այժմ կիրառվում են գործնական կիրառությունների աճող թվով, այդ թվում՝
- Միկրոալիքայինից օպտիկական փոխակերպիչներ
- Օպտիկական սենսորներ
- Չիպային սպեկտրոմետրեր
- Օպտիկական հաճախականության սանրեր
- Առաջադեմ հեռահաղորդակցության համակարգեր
Այս կիրառությունները ցույց են տալիս LNOI-ի ներուժը՝ համապատասխանելու զանգվածային օպտիկական բաղադրիչների աշխատանքին, միաժամանակ առաջարկելով մասշտաբային, էներգաարդյունավետ լուծումներ ֆոտոլիտոգրաֆիկ արտադրության միջոցով։
Ներկայիս մարտահրավերները և ապագայի ուղղությունները
Չնայած խոստումնալից առաջընթացին, LNOI տեխնոլոգիան բախվում է մի շարք տեխնիկական խոչընդոտների.
ա) Օպտիկական կորստի հետագա նվազեցում
Ալիքային հոսանքի կորուստը (0.01 դԲ/սմ) դեռևս մեկ կարգի մեծությամբ ավելի բարձր է նյութի կլանման սահմանից: Մակերեսի կոպտությունը և կլանման հետ կապված արատները նվազեցնելու համար անհրաժեշտ են իոնների կտրման տեխնիկայի և նանոմշակման առաջընթացներ:
բ) Բարելավված ալիքատար երկրաչափության կառավարում
Ավելի բարձր ինտեգրացիոն խտության համար կարևոր է 700 նմ-ից ցածր ալիքատարերի և 2 մկմ-ից ցածր միացման բացերի միացումը՝ առանց կրկնելիությունը զոհաբերելու կամ տարածման կորուստը մեծացնելու։
գ) Կցորդման արդյունավետության բարձրացում
Մինչդեռ կոնաձև մանրաթելերը և ռեժիմի փոխարկիչները նպաստում են բարձր միացման արդյունավետության հասնելուն, հակաանդրադարձնող ծածկույթները կարող են էլ ավելի մեղմել օդ-նյութ միջերեսային անդրադարձումները։
դ) Ցածր կորուստներով բևեռացման բաղադրիչների մշակում
LNOI-ի վրա բևեռացմանը չզգայուն ֆոտոնային սարքերը կարևոր են, քանի որ պահանջում են բաղադրիչներ, որոնք համապատասխանում են ազատ տարածության բևեռացնողների աշխատանքին։
ե) Կառավարման էլեկտրոնիկայի ինտեգրում
Մեծածավալ կառավարման էլեկտրոնիկայի արդյունավետ ինտեգրումը առանց օպտիկական կատարողականի վատթարացման հետազոտական հիմնական ուղղություններից է։
զ) Ֆազերի համապատասխանեցման և դիսպերսիայի առաջադեմ ճարտարագիտություն
Միկրոնային ենթամիկրոնային լուծաչափով հուսալի տիրույթային պատկերացումը կենսական նշանակություն ունի ոչ գծային օպտիկայի համար, սակայն LNOI հարթակում մնում է դեռևս անհասուն տեխնոլոգիա։
է) Արտադրության թերությունների փոխհատուցում
Իրական աշխարհում տեղակայման համար կարևոր են շրջակա միջավայրի փոփոխություններով կամ արտադրական տատանումներով պայմանավորված փուլային տեղաշարժերը մեղմելու տեխնիկաները։
ը) Արդյունավետ բազմակի չիպային միացում
Միակ թիթեղյա ինտեգրման սահմաններից այն կողմ անցնելու համար անհրաժեշտ է լուծել բազմաթիվ LNOI չիպերի միջև արդյունավետ կապի խնդիրը։
Ակտիվ և պասիվ բաղադրիչների մոնոլիտ ինտեգրում
LNOI PIC-ների հիմնական մարտահրավերը ակտիվ և պասիվ բաղադրիչների ծախսարդյունավետ մոնոլիտ ինտեգրումն է, ինչպիսիք են՝
- Լազերներ
- Դետեկտորներ
- Ոչ գծային ալիքի երկարության փոխարկիչներ
- Մոդուլյատորներ
- Մուլտիպլեքսորներ/Դեմուլտիպլեքսորներ
Ընթացիկ ռազմավարությունները ներառում են.
ա) LNOI-ի իոնային լեգիրացում.
Ակտիվ իոնների ընտրողական լեգիրումը նշանակված շրջաններում կարող է հանգեցնել չիպի վրա լույսի աղբյուրների առաջացմանը։
բ) Կապակցում և հետերոգեն ինտեգրացիա.
Նախապես պատրաստված պասիվ LNOI PIC-ների միացումը լեգիրված LNOI շերտերով կամ III-V լազերներով ապահովում է այլընտրանքային ուղի։
գ) Հիբրիդային ակտիվ/պասիվ LNOI վաֆլիի արտադրություն.
Նորարարական մոտեցումը ներառում է լեգիրված և չլեգիրված LN վեֆերի միացումը իոնային կտրատումից առաջ, ինչի արդյունքում ստացվում են LNOI վեֆերներ՝ ակտիվ և պասիվ շրջաններով։
Նկար 1պատկերազարդում է հիբրիդային ինտեգրված ակտիվ/պասիվ PIC-ների հայեցակարգը, որտեղ մեկ լիտոգրաֆիկ գործընթացը հնարավորություն է տալիս անխափան համաձայնեցնել և ինտեգրել երկու տեսակի բաղադրիչները։
Լուսաճանաչիչների ինտեգրում
Լույսի դետեկտորների ինտեգրումը LNOI-ի վրա հիմնված PIC-ների մեջ լիարժեք ֆունկցիոնալ համակարգերի ուղղությամբ տանող ևս մեկ կարևոր քայլ է: Ուսումնասիրվում են երկու հիմնական մոտեցումներ՝
ա) Հետերոգեն ինտեգրացիա.
Կիսահաղորդչային նանոկառուցվածքները կարող են ժամանակավորապես միացվել LNOI ալիքատարներին։ Այնուամենայնիվ, հայտնաբերման արդյունավետության և մասշտաբայնության բարելավումները դեռևս անհրաժեշտ են։
բ) Ոչ գծային ալիքի երկարության փոխակերպում.
ԼՄ-ի ոչ գծային հատկությունները թույլ են տալիս հաճախականության փոխակերպում ալիքատարերի ներսում, ինչը հնարավորություն է տալիս օգտագործել ստանդարտ սիլիցիումային լուսադետեկտորներ՝ անկախ աշխատանքային ալիքի երկարությունից։
Եզրակացություն
LNOI տեխնոլոգիայի արագ զարգացումը արդյունաբերությունը մոտեցնում է համընդհանուր PIC հարթակի, որը կարող է սպասարկել լայն շրջանակի կիրառություններ: Հակազդելով առկա մարտահրավերներին և առաջ մղելով մոնոլիտ և դետեկտորային ինտեգրման նորարարությունները, LNOI-ի վրա հիմնված PIC-ները ունեն ներուժ հեղափոխելու այնպիսի ոլորտներ, ինչպիսիք են հեռահաղորդակցությունը, քվանտային տեղեկատվությունը և զգայունակությունը:
LNOI-ն խոստանում է իրականացնել մասշտաբային PIC-ների վաղեմի տեսլականը՝ համապատասխանելով EIC-ների հաջողությանը և ազդեցությանը: Հետազոտությունների և զարգացման շարունակական ջանքերը, ինչպիսիք են Նանջինգի ֆոտոնիկայի գործընթացային հարթակի և XiaoyaoTech նախագծման հարթակի ջանքերը, կարևորագույն դեր կունենան ինտեգրված ֆոտոնիկայի ապագայի ձևավորման և տեխնոլոգիական ոլորտներում նոր հնարավորությունների բացահայտման գործում:
Հրապարակման ժամանակը. Հուլիս-18-2025