Giriş
Elektron inteqral sxemlərin (EIC) uğurundan ilhamlanan fotonik inteqral sxemlər (PIC) sahəsi 1969-cu ildə yarandığı gündən bəri inkişaf etməkdədir. Lakin, EIC-lərdən fərqli olaraq, müxtəlif fotonik tətbiqləri dəstəkləyə bilən universal platformanın hazırlanması əsas problem olaraq qalır. Bu məqalədə yeni nəsil PIC-lər üçün sürətlə perspektivli bir həll yoluna çevrilən Litium Niobate Insulator (LNOI) texnologiyası araşdırılır.
LNOI Texnologiyasının Yüksəlişi
Litium niobatı (LN) uzun müddətdir fotonik tətbiqlər üçün əsas material kimi tanınır. Lakin, yalnız nazik təbəqəli LNOI-nin və qabaqcıl istehsal texnikalarının meydana gəlməsi ilə onun tam potensialı açılıb. Tədqiqatçılar LNOI platformalarında ultra aşağı itkili silsilə dalğa bələdçilərini və ultra yüksək Q mikrorezonatorlarını uğurla nümayiş etdiriblər [1] və bu da inteqrasiya olunmuş fotonika sahəsində əhəmiyyətli bir sıçrayışa işarə edib.
LNOI Texnologiyasının Əsas Üstünlükləri
- Ultra aşağı optik itki(0.01 dB/sm3 qədər aşağı)
- Yüksək keyfiyyətli nanofotonik strukturlar
- Müxtəlif qeyri-xətti optik proseslər üçün dəstək
- İnteqrasiya olunmuş elektro-optik (EO) tənzimləmə qabiliyyəti
LNOI üzərində qeyri-xətti optik proseslər
LNOI platformasında istehsal olunan yüksək performanslı nanofotonik strukturlar, əsas qeyri-xətti optik proseslərin diqqətəlayiq səmərəlilik və minimal nasos gücü ilə həyata keçirilməsinə imkan verir. Nümayiş etdirilən proseslərə aşağıdakılar daxildir:
- İkinci Harmonik Nəsil (SHG)
- Cəm Tezliyi Yaranması (SFG)
- Fərq Tezliyi Yaranması (DFG)
- Parametrik Aşağı Çevrilmə (PDC)
- Dörd Dalğalı Qarışdırma (FWM)
Bu prosesləri optimallaşdırmaq üçün müxtəlif faza uyğunlaşdırma sxemləri tətbiq edilmiş və LNOI-ni çox yönlü qeyri-xətti optik platforma kimi qurmuşdur.
Elektro-Optik Tənzimlənən İnteqrasiya olunmuş Cihazlar
LNOI texnologiyası həmçinin aşağıdakı kimi geniş çeşiddə aktiv və passiv tənzimlənən fotonik cihazların hazırlanmasına imkan yaratmışdır:
- Yüksək sürətli optik modulyatorlar
- Yenidən konfiqurasiya edilə bilən çoxfunksiyalı PIC-lər
- Tənzimlənən tezlikli daraqlar
- Mikro-optomekanik yaylar
Bu cihazlar işıq siqnallarının dəqiq və yüksək sürətli idarə olunmasına nail olmaq üçün litium niobatın daxili EO xüsusiyyətlərindən istifadə edir.
LNOI Fotonikasının Praktik Tətbiqləri
LNOI əsaslı PIC-lər hazırda artan sayda praktik tətbiqlərdə, o cümlədən aşağıdakılarda tətbiq olunur:
- Mikrodalğalı-optik çeviricilər
- Optik sensorlar
- Çip üzərindəki spektrometrlər
- Optik tezlikli daraqlar
- Qabaqcıl telekommunikasiya sistemləri
Bu tətbiqlər, fotolitoqrafik istehsal vasitəsilə miqyaslana bilən, enerjiyə qənaət edən həllər təklif edərkən, LNOI-nin toplu optik komponentlərin performansına uyğunlaşma potensialını nümayiş etdirir.
Mövcud Çətinliklər və Gələcək İstiqamətlər
Ümidverici irəliləyişinə baxmayaraq, LNOI texnologiyası bir sıra texniki maneələrlə üzləşir:
a) Optik itkinin daha da azaldılması
Cərəyan dalğaötürücüsünün itkisi (0,01 dB/sm3) hələ də materialın udma həddindən bir qədər yüksəkdir. Səth pürüzlülüyünü və udma ilə əlaqəli qüsurları azaltmaq üçün ion dilimləmə texnikalarında və nanofabrikasiyada irəliləyişlər tələb olunur.
b) Təkmilləşdirilmiş Dalğa Bələdçisi Həndəsəsi Nəzarəti
Təkrarlanma qabiliyyətindən və ya yayılma itkisindən ödün vermədən 700 nm-dən aşağı dalğaötürənlərin və 2 μm-dən aşağı birləşmə boşluqlarının aktivləşdirilməsi daha yüksək inteqrasiya sıxlığı üçün vacibdir.
c) Birləşdirmə Səmərəliliyinin Artırılması
Konik liflər və rejim çeviriciləri yüksək birləşmə səmərəliliyinə nail olmağa kömək etsə də, əks etdirmə əleyhinə örtüklər hava-material interfeysinin əks olunmasını daha da azalda bilər.
d) Aşağı İtkili Polyarizasiya Komponentlərinin İnkişafı
LNOI-də polyarizasiyaya həssas olmayan fotonik cihazlar vacibdir və boş məkan polyarizatorlarının performansına uyğun komponentlər tələb edir.
e) İdarəetmə Elektronikasının İnteqrasiyası
Optik performansı aşağı salmadan genişmiqyaslı idarəetmə elektronikasının effektiv şəkildə inteqrasiyası əsas tədqiqat istiqamətidir.
f) Qabaqcıl Faza Uyğunlaşdırması və Dispersiya Mühəndisliyi
Submikron çözünürlükdə etibarlı domen nümunələri qeyri-xətti optika üçün vacibdir, lakin LNOI platformasında hələ də yetişməmiş bir texnologiyadır.
g) İstehsal qüsurlarına görə kompensasiya
Ətraf mühit dəyişiklikləri və ya istehsalatdakı sapmaların yaratdığı faza dəyişikliklərini azaltmaq üçün üsullar real dünyada tətbiq üçün vacibdir.
h) Səmərəli Çox Çipli Birləşdirmə
Tək lövhəli inteqrasiya limitlərindən kənara çıxmaq üçün çoxsaylı LNOI çipləri arasında səmərəli birləşmənin həlli vacibdir.
Aktiv və Passiv Komponentlərin Monolit İnteqrasiyası
LNOI PIC-ləri üçün əsas çətinlik aşağıdakı kimi aktiv və passiv komponentlərin səmərəli monolit inteqrasiyasıdır:
- Lazerlər
- Detektorlar
- Qeyri-xətti dalğa uzunluğu çeviriciləri
- Modulyatorlar
- Multipleksorlar/Demultipleksorlar
Mövcud strategiyalara aşağıdakılar daxildir:
a) LNOI-nin ionla dopinqi:
Aktiv ionların təyin olunmuş bölgələrə selektiv şəkildə qatqılanması çip üzərində işıq mənbələrinə səbəb ola bilər.
b) Bağlanma və Heterogen İnteqrasiya:
Əvvəlcədən hazırlanmış passiv LNOI PIC-lərinin aşqarlanmış LNOI təbəqələri və ya III-V lazerləri ilə birləşdirilməsi alternativ bir yol təqdim edir.
c) Hibrid Aktiv/Passiv LNOI lövhə istehsalı:
İnnovativ yanaşma, ion dilimləmədən əvvəl aşqarlanmış və aşqarlanmamış LN lövhələrinin yapışdırılmasını əhatə edir və nəticədə həm aktiv, həm də passiv bölgələrə malik LNOI lövhələri əldə edilir.
Şəkil 1vahid litoqrafik prosesin hər iki növ komponentin sorunsuz uyğunlaşdırılmasına və inteqrasiyasına imkan verdiyi hibrid inteqrasiya olunmuş aktiv/passiv PIC-lər konsepsiyasını göstərir.
Fotodetektorların inteqrasiyası
Fotodetektorların LNOI əsaslı PIC-lərə inteqrasiyası tam funksional sistemlərə doğru daha bir vacib addımdır. İki əsas yanaşma araşdırılır:
a) Heterogen İnteqrasiya:
Yarımkeçirici nanostrukturlar müvəqqəti olaraq LNOI dalğa bələdçilərinə qoşula bilər. Bununla belə, aşkarlama səmərəliliyinin və miqyaslanma qabiliyyətinin təkmilləşdirilməsi hələ də tələb olunur.
b) Qeyri-xətti dalğa uzunluğunun çevrilməsi:
LN-nin qeyri-xətti xüsusiyyətləri dalğa bələdçiləri daxilində tezlik çevrilməsinə imkan verir və bu da işləmə dalğa uzunluğundan asılı olmayaraq standart silikon fotodetektorlarının istifadəsinə imkan verir.
Nəticə
LNOI texnologiyasının sürətli inkişafı sənayeni geniş tətbiq sahələrinə xidmət göstərə bilən universal PIC platformasına yaxınlaşdırır. Mövcud problemləri həll etməklə və monolit və detektor inteqrasiyasında innovasiyaları irəli sürməklə, LNOI əsaslı PIC-lər telekommunikasiya, kvant məlumatı və sensor kimi sahələrdə inqilab etmək potensialına malikdir.
LNOI, EIC-lərin uğuruna və təsirinə uyğun olaraq, miqyaslana bilən PIC-lərin uzunmüddətli vizyonunu yerinə yetirmək vədinə malikdir. Nanjing Fotonika Proses Platforması və XiaoyaoTech Dizayn Platformasından olanlar kimi davamlı tədqiqat və inkişaf səyləri inteqrasiya olunmuş fotonikanın gələcəyini formalaşdırmaqda və texnologiya sahələrində yeni imkanların açılmasında mühüm rol oynayacaq.
Yazı vaxtı: 18 iyul 2025