Introduzione
Ispiratu da u successu di i circuiti integrati elettronichi (EIC), u campu di i circuiti integrati fotonici (PIC) hè statu in evoluzione dapoi a so creazione in u 1969. Tuttavia, à u cuntrariu di l'EIC, u sviluppu di una piattaforma universale capace di supportà diverse applicazioni fotoniche ferma una sfida maiò. Questu articulu esplora a tecnulugia emergente di u niobatu di litiu nantu à l'isolante (LNOI), chì hè diventata rapidamente una suluzione promettente per i PIC di prossima generazione.
L'ascesa di a tecnulugia LNOI
U niobatu di litiu (LN) hè statu longu ricunnisciutu cum'è un materiale chjave per l'applicazioni fotoniche. Tuttavia, solu cù l'avventu di u LNOI à film sottile è di e tecniche di fabricazione avanzate hè statu liberatu tuttu u so putenziale. I circadori anu dimustratu cù successu guide d'onda di cresta à perdite ultra basse è microrisonatori à Q ultra altu nantu à e piattaforme LNOI [1], chì marca un saltu significativu in a fotonica integrata.
Vantaghji chjave di a tecnulugia LNOI
- Perdita ottica ultra-bassa(finu à 0,01 dB/cm)
- Strutture nanofotoniche di alta qualità
- Supportu per diversi prucessi ottici non lineari
- Sintonizabilità elettro-ottica (EO) integrata
Prucessi Ottici Non Lineari nantu à LNOI
E strutture nanofotoniche d'altu rendimentu fabbricate nantu à a piattaforma LNOI permettenu a realizazione di prucessi ottici non lineari chjave cù una efficienza rimarchevule è una putenza di pompaggio minima. I prucessi dimustrati includenu:
- Seconda Generazione Armonica (SHG)
- Generazione di Frequenza di Somma (SFG)
- Generazione di Frequenza Differenziale (DFG)
- Cunversione Parametrica Discendente (PDC)
- Miscelazione à quattru onde (FWM)
Diversi schemi di currispundenza di fase sò stati implementati per ottimizà questi prucessi, stabilendu LNOI cum'è una piattaforma ottica non lineare assai versatile.
Dispositivi Integrati Elettro-Otticamente Sintonizzabili
A tecnulugia LNOI hà ancu permessu u sviluppu di una vasta gamma di dispositivi fotonici sintonizzabili attivi è passivi, cum'è:
- Modulatori ottici à alta velocità
- PIC multifunzionali riconfigurabili
- Pettini di frequenza sintonizzabili
- Molle micro-optomeccaniche
Questi dispositivi sfruttanu e proprietà intrinseche EO di u niobatu di litiu per ottene un cuntrollu precisu è à alta velocità di i signali luminosi.
Applicazioni pratiche di a fotonica LNOI
I PIC basati nantu à LNOI sò avà aduttati in un numeru crescente d'applicazioni pratiche, cumprese:
- Convertitori da microonde à otticu
- Sensori ottici
- Spettrometri in chip
- Pettini di frequenza ottica
- Sistemi di telecomunicazione avanzati
Queste applicazioni dimustranu u putenziale di LNOI per currisponde à e prestazioni di i cumpunenti ottici in massa, offrendu à tempu suluzioni scalabili è efficienti in termini di energia attraversu a fabricazione fotolitografica.
Sfide attuali è direzzioni future
Malgradu i so progressi promettenti, a tecnulugia LNOI scontra parechji ostaculi tecnichi:
a) Riduce ulteriormente a perdita ottica
A perdita di guida d'onda di corrente (0,01 dB/cm) hè sempre un ordine di grandezza più altu ch'è u limite d'assorbimentu di u materiale. I progressi in e tecniche di taglio di ioni è a nanofabbricazione sò necessarii per riduce a rugosità superficiale è i difetti ligati à l'assorbimentu.
b) Cuntrollu di a Geometria di Guida d'Onda Migliuratu
L'attivazione di guide d'onda sub-700 nm è lacune di accoppiamentu sub-2 μm senza sacrificà a ripetibilità o aumentà a perdita di propagazione hè cruciale per una densità d'integrazione più alta.
c) Migliurà l'efficienza di l'accoppiamentu
Mentre e fibre affusolate è i convertitori di modu aiutanu à ottene una alta efficienza di accoppiamentu, i rivestimenti antiriflessu ponu mitigà ulteriormente e riflessioni di l'interfaccia aria-materiale.
d) Sviluppu di cumpunenti di polarizazione à bassa perdita
I dispositivi fotonici insensibili à a polarizazione nantu à LNOI sò essenziali, è necessitanu cumpunenti chì currispondenu à e prestazioni di i polarizzatori in spaziu liberu.
e) Integrazione di l'elettronica di cuntrollu
L'integrazione efficace di l'elettronica di cuntrollu à grande scala senza degradà e prestazioni ottiche hè una direzzione di ricerca chjave.
f) Ingegneria di currispundenza di fase avanzata è di dispersione
Una modellazione di duminii affidabile à una risoluzione submicronica hè vitale per l'ottica non lineare, ma ferma una tecnulugia immatura nantu à a piattaforma LNOI.
g) Compensazione per i difetti di fabbricazione
E tecniche per mitigà i cambiamenti di fase causati da cambiamenti ambientali o varianze di fabricazione sò essenziali per u spiegamentu in u mondu reale.
h) Accoppiamentu multi-chip efficiente
Affruntà un accoppiamentu efficiente trà parechji chip LNOI hè necessariu per scalà oltre i limiti di integrazione di una sola cialda.
Integrazione monolitica di cumpunenti attivi è passivi
Una sfida principale per i PIC LNOI hè l'integrazione monolitica à bon pattu di cumpunenti attivi è passivi cum'è:
- Laser
- Rivelatori
- Convertitori di lunghezza d'onda non lineari
- Modulatori
- Multiplexer/Demultiplexer
E strategie attuali includenu:
a) Doping ionicu di LNOI:
U dopaggiu selettivu di ioni attivi in regioni designate pò purtà à fonti luminose in chip.
b) Legame è Integrazione Eterogenea:
L'unione di PIC LNOI passivi prefabbricati cù strati LNOI drogati o laser III-V furnisce una via alternativa.
c) Fabricazione di wafer LNOI ibridi attivi/passivi:
Un approcciu innovativu implica l'incollaggio di wafer LN drogati è non drogati prima di u tagliu ionicu, risultendu in wafer LNOI cù regioni sia attive sia passive.
Figura 1illustra u cuncettu di PIC ibridi integrati attivi/passivi, induve un unicu prucessu litugraficu permette un allineamentu è una integrazione senza soluzione di continuità di i dui tipi di cumpunenti.
Integrazione di fotodetettori
L'integrazione di fotodetectori in PIC basati nantu à LNOI hè un altru passu cruciale versu sistemi cumpletamente funziunali. Dui approcci principali sò in corsu d'indagine:
a) Integrazione eterogenea:
E nanostrutture semiconduttori ponu esse accoppiate transitoriamente à e guide d'onda LNOI. Tuttavia, sò sempre necessarii miglioramenti in l'efficienza di rilevazione è a scalabilità.
b) Cunversione di lunghezza d'onda non lineare:
E proprietà non lineari di LN permettenu a cunversione di frequenza in e guide d'onda, chì permettenu l'usu di fotodetettori di siliciu standard indipendentemente da a lunghezza d'onda operativa.
Cunclusione
U rapidu avanzamentu di a tecnulugia LNOI avvicina l'industria à una piattaforma PIC universale capace di serve una larga gamma di applicazioni. Affruntendu e sfide esistenti è spinghjendu l'innuvazioni in l'integrazione monolitica è di i detectori, i PIC basati nantu à LNOI anu u putenziale di rivoluzionà campi cum'è e telecomunicazioni, l'infurmazione quantica è u rilevamentu.
LNOI hà a prumessa di realizà a visione di longa data di i PIC scalabili, currispundendu à u successu è à l'impattu di l'EIC. I sforzi cuntinui di R&S, cum'è quelli di a Piattaforma di Prucessu Fotonicu di Nanjing è di a Piattaforma di Cuncepimentu XiaoyaoTech, saranu cruciali per furmà u futuru di a fotonica integrata è apre nuove pussibilità in tutti i duminii tecnologichi.
Data di publicazione: 18 di lugliu di u 2025