Sarrera
Zirkuitu integratu elektronikoen (EIC) arrakastak inspiratuta, zirkuitu integratu fotonikoen (PIC) arloa eboluzionatzen joan da 1969an sortu zenetik. Hala ere, EICekin ez bezala, aplikazio fotoniko anitzak onartzeko gai den plataforma unibertsal bat garatzea erronka handia da oraindik. Artikulu honek Litio Niobato Isolatzaile gainean (LNOI) teknologia berritzailea aztertzen du, hurrengo belaunaldiko PICetarako irtenbide itxaropentsu bihurtu dena azkar.
LNOI teknologiaren gorakada
Litio niobatoa (LN) aspalditik aitortu izan da aplikazio fotonikoetarako material gako gisa. Hala ere, LNOI film mehearen eta fabrikazio teknika aurreratuen etorrerarekin bakarrik askatu da bere potentzial osoa. Ikertzaileek arrakastaz frogatu dituzte galera ultra-baxuko gandor-uhin-gidak eta Q ultra-altuko mikrorresonadoreak LNOI plataformetan [1], fotonika integratuan jauzi nabarmena markatuz.
LNOI teknologiaren abantaila nagusiak
- Galera optiko ultra-baxua(0,01 dB/cm bezain baxua)
- Kalitate handiko nanofotoniko egiturak
- Prozesu optiko ez-lineal anitzen laguntza
- Integratutako sintonizazio elektro-optikoa (EO)
Prozesu optiko ez-linealak LNOI-n
LNOI plataforman fabrikatutako errendimendu handiko nanofotoniko egiturak eraginkortasun nabarmenarekin eta ponpaketa-potentzia minimoarekin prozesu optiko ez-lineal gakoak gauzatzea ahalbidetzen dute. Frogatutako prozesuen artean daude:
- Bigarren Harmonikoen Sorkuntza (SHG)
- Maiztasun Batuen Sorkuntza (SFG)
- Maiztasun Diferentzialen Sorkuntza (DFG)
- Parametrikoki Beheranzko Bihurketa (PDC)
- Lau uhinen nahasketa (FWM)
Prozesu hauek optimizatzeko hainbat fase-parekatze eskema ezarri dira, LNOI plataforma optiko ez-lineal oso moldakor gisa ezarriz.
Gailu Integratu Elektro-Optikoki Sintonizagarriak
LNOI teknologiak gailu fotoniko aktibo eta pasibo sintonizagarri ugari garatzea ere ahalbidetu du, hala nola:
- Abiadura handiko modulatzaile optikoak
- Birkonfigura daitezkeen PIC multifuntzionalak
- Maiztasun-orrazi sintonizagarriak
- Malguki mikro-optomekanikoak
Gailu hauek litio niobatoaren EO propietate intrintsekoak aprobetxatzen dituzte argi-seinaleen kontrol zehatza eta abiadura handia lortzeko.
LNOI Fotonikaren Aplikazio Praktikoak
LNOI oinarritutako PICak gero eta aplikazio praktiko gehiagotan erabiltzen ari dira, besteak beste:
- Mikrouhin-optiko bihurgailuak
- Sentsore optikoak
- Txip integratuko espektrometroak
- Maiztasun-orrazi optikoak
- Telekomunikazio sistema aurreratuak
Aplikazio hauek erakusten dute LNOI-k osagai optikoen errendimendua parekatzeko duen potentziala, eta, aldi berean, eskalagarriak diren eta energia-eraginkorrak diren irtenbideak eskainiz fotolitografia-fabrikazioaren bidez.
Oraingo erronkak eta etorkizuneko norabideak
Aurrerapen itxaropentsuak izan arren, LNOI teknologiak hainbat oztopo tekniko ditu aurrean:
a) Galera optikoa gehiago murriztea
Korrontearen uhin-gidaren galera (0,01 dB/cm) oraindik magnitude-ordena bat handiagoa da materialaren xurgapen-muga baino. Ioien ebakitze-tekniketan eta nanofabrikazioan aurrerapenak behar dira gainazaleko zimurtasuna eta xurgapenarekin lotutako akatsak murrizteko.
b) Uhin-gidaren geometriaren kontrol hobetua
Errepikagarritasuna galdu edo hedapen-galera handitu gabe, ezinbestekoa da integrazio-dentsitate handiagoa lortzeko, 700 nm-tik beherako uhin-gidak eta 2 μm-tik beherako akoplamendu-tarteak gaitzea.
c) Akoplamendu-eraginkortasuna hobetzea
Zuntz konikoek eta modu-bihurgailuek akoplamendu-eraginkortasun handia lortzen laguntzen duten bitartean, islatzearen aurkako estaldurak aire-material interfazearen islapenak are gehiago arindu ditzakete.
d) Galera Txikiko Polarizazio Osagaien Garapena
LNOI-n polarizazioarekiko sentikorrak ez diren gailu fotonikoak ezinbestekoak dira, espazio libreko polarizatzaileen errendimenduaren pareko osagaiak behar baitituzte.
e) Kontrol Elektronikaren Integrazioa
Eskala handiko kontrol elektronika eraginkortasunez integratzea errendimendu optikoa hondatu gabe ikerketa norabide nagusi bat da.
f) Faseen Parekatze Aurreratua eta Dispertsio Ingeniaritza
Mikra azpiko bereizmenean domeinu-eredu fidagarriak ezinbestekoak dira optika ez-linealarentzat, baina teknologia heldugabea da oraindik LNOI plataforman.
g) Fabrikazio-akatsen kalte-ordaina
Ingurumen-aldaketek edo fabrikazio-aldaketek eragindako fase-aldaketak arintzeko teknikak ezinbestekoak dira benetako munduan hedatzeko.
h) Txip anitzeko akoplamendu eraginkorra
LNOI txip anitzen arteko akoplamendu eraginkorra konpontzea beharrezkoa da oblea bakarreko integrazio mugak gainditzeko eskalatzeko.
Osagai Aktibo eta Pasiboen Integrazio Monolitikoa
LNOI PICen erronka nagusietako bat osagai aktibo eta pasiboen integrazio monolitiko kostu-eraginkorra da, hala nola:
- Laserrak
- Detektagailuak
- Uhin-luzera bihurgailu ez-linealak
- Modulatzaileak
- Multiplexatzaileak/Demultiplexatzaileak
Gaur egungo estrategien artean daude:
a) LNOIren ioien dopaketa:
Ioi aktiboen dopaje selektiboa eskualde jakin batzuetan sartzeak txipean dauden argi-iturriak sor ditzake.
b) Lotura eta Integrazio Heterogeneoa:
Aurrez fabrikatutako LNOI PIC pasiboak LNOI geruza dopatuekin edo III-V laserrekin lotzeak bide alternatibo bat eskaintzen du.
c) LNOI hibrido aktibo/pasiboaren obleen fabrikazioa:
Ikuspegi berritzaile batek dopatutako eta dopatu gabeko LN obleak lotzea dakar ioien ebakidura egin aurretik, eta horrek eskualde aktibo eta pasiboak dituzten LNOI obleak lortzen ditu.
1. irudiaPIC aktibo/pasibo integratu hibridoen kontzeptua ilustratzen du, non prozesu litografiko bakar batek bi osagai motaren lerrokatze eta integrazio ezin hobea ahalbidetzen duen.
Fotodetektagailuen integrazioa
Fotodetektagailuak LNOI oinarritutako PICetan integratzea beste urrats garrantzitsu bat da sistema guztiz funtzionalak lortzeko bidean. Bi ikuspegi nagusi aztertzen ari dira:
a) Integrazio Heterogeneoa:
Erdieroaleen nanoegiturak LNOI uhin-gidetara aldi baterako akopla daitezke. Hala ere, detekzio-eraginkortasunean eta eskalagarritasunean hobekuntzak egin behar dira oraindik.
b) Uhin-luzeraren bihurketa ez-lineala:
LN-ren propietate ez-linealek maiztasun-bihurketa ahalbidetzen dute uhin-giden barruan, eta horrek siliziozko fotodetektagailu estandarrak erabiltzea ahalbidetzen du, funtzionamendu-uhin-luzera edozein dela ere.
Ondorioa
LNOI teknologiaren aurrerapen azkarrak industria PIC plataforma unibertsal batera hurbiltzen du, aplikazio sorta zabal batzuei zerbitzua emateko gai dena. Dauden erronkei aurre eginez eta integrazio monolitikoan eta detektagailuetan berrikuntzak bultzatuz, LNOI oinarritutako PICek telekomunikazioak, informazio kuantikoa eta sentsoreak bezalako arloak iraultzeko ahalmena dute.
LNOIk PIC eskalagarrien ikuspegi luzea betetzeko promesa du, EICen arrakasta eta eraginaren parekoa izanik. I+G ahalegin jarraituak —Nanjing Photonics Process Platform eta XiaoyaoTech Design Platform-enak adibidez— funtsezkoak izango dira fotonika integratuaren etorkizuna moldatzeko eta teknologia-arloetan aukera berriak irekitzeko.
Argitaratze data: 2025eko uztailak 18