مقدمه
با الهام از موفقیت مدارهای مجتمع الکترونیکی (EIC)، حوزه مدارهای مجتمع فوتونی (PIC) از زمان آغاز به کار خود در سال ۱۹۶۹ در حال تکامل بوده است. با این حال، برخلاف EICها، توسعه یک پلتفرم جهانی که قادر به پشتیبانی از کاربردهای متنوع فوتونی باشد، همچنان یک چالش بزرگ است. این مقاله به بررسی فناوری نوظهور لیتیوم نیوبات روی عایق (LNOI) می‌پردازد که به سرعت به یک راه حل امیدوارکننده برای PICهای نسل بعدی تبدیل شده است.
ظهور فناوری LNOI
نیوبات لیتیوم (LN) مدت‌هاست که به عنوان یک ماده کلیدی برای کاربردهای فوتونیک شناخته شده است. با این حال، تنها با ظهور LNOI لایه نازک و تکنیک‌های ساخت پیشرفته، پتانسیل کامل آن آزاد شده است. محققان با موفقیت موجبرهای ریج با تلفات بسیار کم و میکرورزوناتورهای با Q بسیار بالا را روی پلتفرم‌های LNOI نشان داده‌اند [1] که جهشی قابل توجه در فوتونیک مجتمع محسوب می‌شود.
مزایای کلیدی فناوری LNOI
- افت نوری بسیار کم(به میزان کم 0.01 دسی‌بل بر سانتی‌متر)
- ساختارهای نانوفوتونی با کیفیت بالا
- پشتیبانی از فرآیندهای نوری غیرخطی متنوع
- قابلیت تنظیم الکترواپتیکی یکپارچه (EO)
فرآیندهای نوری غیرخطی روی LNOI
ساختارهای نانوفوتونی با کارایی بالا که بر روی پلتفرم LNOI ساخته شده‌اند، امکان تحقق فرآیندهای نوری غیرخطی کلیدی را با راندمان قابل توجه و حداقل توان پمپ فراهم می‌کنند. فرآیندهای نشان داده شده عبارتند از:
- تولید هارمونیک دوم (SHG)
- تولید فرکانس مجموع (SFG)
- تولید فرکانس تفاضلی (DFG)
- تبدیل پارامتری به پایین (PDC)
- اختلاط چهار موج (FWM)
طرح‌های تطبیق فاز مختلفی برای بهینه‌سازی این فرآیندها پیاده‌سازی شده‌اند و LNOI را به عنوان یک پلتفرم نوری غیرخطی بسیار تطبیق‌پذیر تثبیت کرده‌اند.
دستگاه‌های مجتمع قابل تنظیم الکترواپتیکی
فناوری LNOI همچنین امکان توسعه طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های فوتونیک قابل تنظیم فعال و غیرفعال را فراهم کرده است، مانند:
- مدولاتورهای نوری پرسرعت
- PIC های چند منظوره قابل تنظیم مجدد
- شانه‌های فرکانسی قابل تنظیم
- فنرهای میکرواپتومکانیکی
این دستگاه‌ها از خواص ذاتی اکسید تیتانیوم (EO) لیتیوم نیوبات برای دستیابی به کنترل دقیق و پرسرعت سیگنال‌های نوری استفاده می‌کنند.
کاربردهای عملی فوتونیک LNOI
PIC های مبتنی بر LNOI اکنون در تعداد فزاینده ای از کاربردهای عملی، از جمله موارد زیر، مورد استفاده قرار می گیرند:
- مبدل‌های مایکروویو به نوری
- حسگرهای نوری
- طیف‌سنج‌های روی تراشه
- شانه‌های فرکانس نوری
- سیستم‌های مخابراتی پیشرفته
این کاربردها پتانسیل LNOI را برای مطابقت با عملکرد اجزای اپتیک حجمی نشان می‌دهند، در حالی که از طریق ساخت فوتولیتوگرافی، راه‌حل‌های مقیاس‌پذیر و کم‌مصرف ارائه می‌دهند.
چالش‌های فعلی و مسیرهای آینده
با وجود پیشرفت‌های امیدوارکننده، فناوری LNOI با چندین مانع فنی روبرو است:
الف) کاهش بیشتر اتلاف نوری
تلفات موجبر فعلی (0.01 دسی‌بل بر سانتی‌متر) هنوز هم چندین برابر بیشتر از حد جذب ماده است. پیشرفت در تکنیک‌های برش یونی و نانوساخت برای کاهش زبری سطح و نقص‌های مربوط به جذب مورد نیاز است.
ب) کنترل هندسه موجبر بهبود یافته
فعال کردن موجبرهای زیر ۷۰۰ نانومتر و شکاف‌های کوپلینگ زیر ۲ میکرومتر بدون کاهش تکرارپذیری یا افزایش تلفات انتشار، برای چگالی ادغام بالاتر بسیار مهم است.
ج) افزایش راندمان کوپلینگ
در حالی که فیبرهای مخروطی و مبدل‌های حالت به دستیابی به راندمان بالای کوپلینگ کمک می‌کنند، پوشش‌های ضد انعکاس می‌توانند بازتاب‌های سطح مشترک هوا-ماده را بیشتر کاهش دهند.
د) توسعه قطعات قطبش با اتلاف کم
دستگاه‌های فوتونیکی غیرحساس به قطبش روی LNOI ضروری هستند و به اجزایی نیاز دارند که عملکرد قطبشگرهای فضای آزاد را داشته باشند.
ه) ادغام الکترونیک کنترل
ادغام مؤثر قطعات الکترونیکی کنترلی در مقیاس بزرگ بدون کاهش عملکرد نوری، یک جهت‌گیری تحقیقاتی کلیدی است.
و) مهندسی تطبیق فاز و پراکندگی پیشرفته
الگوسازی دامنه قابل اعتماد در وضوح زیر میکرون برای اپتیک غیرخطی حیاتی است، اما در پلتفرم LNOI همچنان یک فناوری نابالغ است.
ز) جبران نقص‌های ساخت
تکنیک‌هایی برای کاهش تغییرات فاز ناشی از تغییرات محیطی یا واریانس‌های ساخت، برای استقرار در دنیای واقعی ضروری هستند.
ح) کوپلینگ چند تراشه‌ای کارآمد
پرداختن به اتصال کارآمد بین چندین تراشه LNOI برای فراتر رفتن از محدودیت‌های یکپارچه‌سازی تک ویفر ضروری است.
ادغام یکپارچه اجزای فعال و غیرفعال
یک چالش اصلی برای PIC های LNOI، ادغام یکپارچه و مقرون به صرفه اجزای فعال و غیرفعال مانند موارد زیر است:
- لیزرها
- آشکارسازها
- مبدل‌های طول موج غیرخطی
- تعدیل‌کننده‌ها
- مالتی‌پلکسرها/دی‌مالتی‌پلکسرها
استراتژی‌های فعلی عبارتند از:
الف) آلایش یونی LNOI:
آلایش انتخابی یون‌های فعال به نواحی تعیین‌شده می‌تواند منجر به منابع نوری روی تراشه شود.
ب) پیوند و ادغام ناهمگن:
اتصال PIC های LNOI غیرفعال از پیش ساخته شده با لایه های LNOI آلاییده شده یا لیزرهای III-V یک مسیر جایگزین فراهم می کند.
ج) ساخت ویفر LNOI ترکیبی فعال/غیرفعال:
یک رویکرد نوآورانه شامل پیوند دادن ویفرهای LN آلاییده و آلاییده نشده قبل از برش یونی است که منجر به ویفرهای LNOI با نواحی فعال و غیرفعال می‌شود.
شکل ۱مفهوم PIC های فعال/غیرفعال ترکیبی یکپارچه را نشان می‌دهد، که در آن یک فرآیند لیتوگرافی واحد، هم‌ترازی و ادغام یکپارچه هر دو نوع اجزا را امکان‌پذیر می‌کند.
ادغام آشکارسازهای نوری
ادغام آشکارسازهای نوری در PICهای مبتنی بر LNOI گام مهم دیگری به سوی سیستم‌های کاملاً کاربردی است. دو رویکرد اصلی در دست بررسی است:
الف) ادغام ناهمگن:
نانوساختارهای نیمه‌هادی می‌توانند به صورت گذرا به موجبرهای LNOI متصل شوند. با این حال، هنوز بهبودهایی در کارایی تشخیص و مقیاس‌پذیری مورد نیاز است.
ب) تبدیل طول موج غیرخطی:
خواص غیرخطی LN امکان تبدیل فرکانس در موجبرها را فراهم می‌کند و استفاده از آشکارسازهای نوری سیلیکونی استاندارد را صرف نظر از طول موج عملیاتی امکان‌پذیر می‌سازد.
نتیجه‌گیری
پیشرفت سریع فناوری LNOI، صنعت را به یک پلتفرم PIC جهانی که قادر به ارائه طیف وسیعی از کاربردها باشد، نزدیک‌تر می‌کند. PICهای مبتنی بر LNOI با پرداختن به چالش‌های موجود و پیشبرد نوآوری‌ها در یکپارچه‌سازی یکپارچه و آشکارساز، پتانسیل ایجاد انقلابی در زمینه‌هایی مانند مخابرات، اطلاعات کوانتومی و حسگری را دارند.
LNOI نوید تحقق چشم‌انداز دیرینه PICهای مقیاس‌پذیر را می‌دهد و موفقیت و تأثیر EICها را با آنها مطابقت می‌دهد. تلاش‌های مداوم تحقیق و توسعه - مانند تلاش‌های پلتفرم فرآیند فوتونیک نانجینگ و پلتفرم طراحی XiaoyaoTech - در شکل‌دهی آینده فوتونیک یکپارچه و گشودن امکانات جدید در حوزه‌های فناوری، محوری خواهد بود.
زمان ارسال: ۱۸ ژوئیه ۲۰۲۵