Cyflwyniad
Wedi'i ysbrydoli gan lwyddiant cylchedau integredig electronig (EICs), mae maes cylchedau integredig ffotonig (PICs) wedi bod yn esblygu ers ei sefydlu ym 1969. Fodd bynnag, yn wahanol i EICs, mae datblygu platfform cyffredinol sy'n gallu cefnogi amrywiol gymwysiadau ffotonig yn parhau i fod yn her fawr. Mae'r erthygl hon yn archwilio'r dechnoleg Lithiwm Niobate ar Inswleiddiwr (LNOI) sy'n dod i'r amlwg, sydd wedi dod yn ateb addawol yn gyflym ar gyfer PICs y genhedlaeth nesaf.
Cynnydd Technoleg LNOI
Mae lithiwm niobad (LN) wedi cael ei gydnabod ers tro fel deunydd allweddol ar gyfer cymwysiadau ffotonig. Fodd bynnag, dim ond gyda dyfodiad LNOI ffilm denau a thechnegau gweithgynhyrchu uwch y mae ei botensial llawn wedi'i ddatgloi. Mae ymchwilwyr wedi llwyddo i ddangos ton-dywyswyr crib colled isel iawn a micro-gysemyddion Q uchel iawn ar lwyfannau LNOI [1], gan nodi naid sylweddol mewn ffotonig integredig.
Manteision Allweddol Technoleg LNOI
- Colled optegol isel iawn(mor isel â 0.01 dB/cm)
- Strwythurau nanoffotonig o ansawdd uchel
- Cefnogaeth ar gyfer prosesau optegol anlinellol amrywiol
- Tiwnadwyedd electro-optig integredig (EO)
Prosesau Optegol Anlinellol ar LNOI
Mae strwythurau nanoffotonig perfformiad uchel a gynhyrchwyd ar blatfform LNOI yn galluogi gwireddu prosesau optegol anlinellol allweddol gydag effeithlonrwydd rhyfeddol a phŵer pwmp lleiaf posibl. Mae prosesau a ddangoswyd yn cynnwys:
- Ail Genhedlaeth Harmonig (SHG)
- Cynhyrchu Amledd Swm (SFG)
- Cynhyrchu Amledd Gwahaniaeth (DFG)
- Trosi Parametrig i Lawr (PDC)
- Cymysgu Pedair Ton (FWM)
Mae amryw o gynlluniau paru cyfnodau wedi'u gweithredu i optimeiddio'r prosesau hyn, gan sefydlu LNOI fel platfform optegol anlinellol amlbwrpas iawn.
Dyfeisiau Integredig Electro-Optegol-Diwniadwy
Mae technoleg LNOI hefyd wedi galluogi datblygiad ystod eang o ddyfeisiau ffotonig tiwniadwy gweithredol a goddefol, megis:
- Modiwlyddion optegol cyflymder uchel
- PICs amlswyddogaethol y gellir eu hailgyflunio
- Cribau amledd tiwniadwy
- Ffynhonnau micro-optomecanyddol
Mae'r dyfeisiau hyn yn manteisio ar briodweddau EO cynhenid lithiwm niobate i gyflawni rheolaeth fanwl gywir a chyflym ar signalau golau.
Cymwysiadau Ymarferol Ffotonig LNOI
Mae PICs sy'n seiliedig ar LNOI bellach yn cael eu mabwysiadu mewn nifer gynyddol o gymwysiadau ymarferol, gan gynnwys:
- Trawsnewidyddion microdon-i-optegol
- Synwyryddion optegol
- Sbectromedrau ar sglodion
- Cribau amledd optegol
- Systemau telathrebu uwch
Mae'r cymwysiadau hyn yn dangos potensial LNOI i gyd-fynd â pherfformiad cydrannau optig swmp, gan gynnig atebion graddadwy ac effeithlon o ran ynni trwy weithgynhyrchu ffotolithograffig.
Heriau Cyfredol a Chyfeiriadau'r Dyfodol
Er gwaethaf ei gynnydd addawol, mae technoleg LNOI yn wynebu sawl rhwystr technegol:
a) Lleihau Colled Optegol Ymhellach
Mae colled ton-dywysydd cerrynt (0.01 dB/cm) yn dal i fod yn llawer uwch na'r terfyn amsugno deunydd. Mae angen datblygiadau mewn technegau sleisio ïonau a nanofabrication i leihau garwedd arwyneb a diffygion sy'n gysylltiedig ag amsugno.
b) Rheolaeth Geometreg Tonfedd Gwell
Mae galluogi tonyddion is-700 nm a bylchau cyplu is-2 μm heb aberthu ailadroddadwyedd na chynyddu colled lledaeniad yn hanfodol ar gyfer dwysedd integreiddio uwch.
c) Gwella Effeithlonrwydd Cyplu
Er bod ffibrau taprog a thrawsnewidyddion modd yn helpu i gyflawni effeithlonrwydd cyplu uchel, gall haenau gwrth-adlewyrchiad liniaru adlewyrchiadau rhyngwyneb aer-deunydd ymhellach.
d) Datblygu Cydrannau Polareiddio Colled Isel
Mae dyfeisiau ffotonig sy'n ansensitif i bolareiddio ar LNOI yn hanfodol, gan ofyn am gydrannau sy'n cyfateb i berfformiad polaryddion gofod rhydd.
e) Integreiddio Electroneg Rheoli
Mae integreiddio electroneg rheoli ar raddfa fawr yn effeithiol heb ddirywio perfformiad optegol yn gyfeiriad ymchwil allweddol.
f) Peirianneg Uwch ar gyfer Cyfatebu Cyfnodau a Gwasgariad
Mae patrymu parth dibynadwy ar benderfyniad is-micron yn hanfodol ar gyfer opteg anlinellol ond mae'n parhau i fod yn dechnoleg anaeddfed ar blatfform LNOI.
g) Iawndal am Ddiffygion Gwneuthuriad
Mae technegau i liniaru sifftiau cyfnod a achosir gan newidiadau amgylcheddol neu amrywiadau gweithgynhyrchu yn hanfodol ar gyfer eu defnyddio yn y byd go iawn.
h) Cyplu Aml-Sglodyn Effeithlon
Mae mynd i'r afael â chyplu effeithlon rhwng sglodion LNOI lluosog yn angenrheidiol i raddfa y tu hwnt i derfynau integreiddio wafer sengl.
Integreiddio Monolithig o Gydrannau Gweithredol a Goddefol
Un o’r heriau craidd i PICs LNOI yw integreiddio monolithig cost-effeithiol cydrannau gweithredol a goddefol fel:
- Laserau
- Synwyryddion
- Trawsnewidyddion tonfedd anlinellol
- Modiwlyddion
- Amlblecswyr/Dad-amlblecswyr
Mae strategaethau cyfredol yn cynnwys:
a) Dopio Ionau LNOI:
Gall dopio detholus ïonau gweithredol i ranbarthau dynodedig arwain at ffynonellau golau ar y sglodion.
b) Bondio ac Integreiddio Heterogenaidd:
Mae bondio PICs LNOI goddefol wedi'u gwneud ymlaen llaw gydag haenau LNOI wedi'u dopio neu laserau III-V yn darparu llwybr amgen.
c) Gwneuthuriad Wafer LNOI Hybrid Gweithredol/Goddefol:
Mae dull arloesol yn cynnwys bondio waferi LN wedi'u dopio a heb eu dopio cyn sleisio ïonau, gan arwain at waferi LNOI gyda rhanbarthau gweithredol a goddefol.
Ffigur 1yn dangos y cysyniad o PICs gweithredol/goddefol hybrid integredig, lle mae un broses lithograffig yn galluogi aliniad ac integreiddio di-dor o'r ddau fath o gydrannau.
Integreiddio Ffotosynhwyryddion
Mae integreiddio ffotosynhwyryddion i mewn i PICs sy'n seiliedig ar LNOI yn gam hanfodol arall tuag at systemau cwbl weithredol. Mae dau brif ddull yn cael eu hymchwilio:
a) Integreiddio Heterogenaidd:
Gellir cyplysu nanostrwythurau lled-ddargludyddion dros dro â thywysyddion tonnau LNOI. Fodd bynnag, mae angen gwelliannau o ran effeithlonrwydd canfod a graddadwyedd o hyd.
b) Trosi Tonfedd Anlinellol:
Mae priodweddau anlinellol LN yn caniatáu trosi amledd o fewn tonfeddi, gan alluogi defnyddio ffotosynhwyryddion silicon safonol waeth beth fo'r donfedd weithredu.
Casgliad
Mae datblygiad cyflym technoleg LNOI yn dod â'r diwydiant yn agosach at blatfform PIC cyffredinol sy'n gallu gwasanaethu ystod eang o gymwysiadau. Drwy fynd i'r afael â heriau presennol a gwthio ymlaen ag arloesiadau mewn integreiddio monolithig a synhwyrydd, mae gan PICs sy'n seiliedig ar LNOI y potensial i chwyldroi meysydd fel telathrebu, gwybodaeth cwantwm, a synhwyro.
Mae gan LNOI yr addewid o gyflawni'r weledigaeth hirhoedlog o PICs graddadwy, gan gyd-fynd â llwyddiant ac effaith EICs. Bydd ymdrechion Ymchwil a Datblygu parhaus—megis y rhai o Lwyfan Proses Ffotonig Nanjing a Lwyfan Dylunio XiaoyaoTech—yn allweddol wrth lunio dyfodol ffotonig integredig a datgloi posibiliadau newydd ar draws meysydd technoleg.
Amser postio: Gorff-18-2025