Introduzione
Ispirato dal successo dei circuiti integrati elettronici (EIC), il campo dei circuiti integrati fotonici (PIC) si è evoluto sin dal suo inizio nel 1969. Tuttavia, a differenza degli EIC, lo sviluppo di una piattaforma universale in grado di supportare diverse applicazioni fotoniche rimane una sfida importante. Questo articolo esplora la tecnologia emergente del niobato di litio su isolante (LNOI), che si è rapidamente affermata come una soluzione promettente per i PIC di nuova generazione.
L'ascesa della tecnologia LNOI
Il niobato di litio (LN) è da tempo riconosciuto come un materiale chiave per le applicazioni fotoniche. Tuttavia, solo con l'avvento dell'LNOI a film sottile e di tecniche di fabbricazione avanzate, il suo pieno potenziale è stato sbloccato. I ricercatori hanno dimostrato con successo guide d'onda a cresta a bassissima perdita e microrisonatori a Q ultra elevato su piattaforme LNOI [1], segnando un significativo balzo in avanti nella fotonica integrata.
Principali vantaggi della tecnologia LNOI
- Perdita ottica ultra bassa(fino a 0,01 dB/cm)
- Strutture nanofotoniche di alta qualità
- Supporto per diversi processi ottici non lineari
- Sintonizzazione elettro-ottica (EO) integrata
Processi ottici non lineari su LNOI
Le strutture nanofotoniche ad alte prestazioni realizzate sulla piattaforma LNOI consentono la realizzazione di processi ottici non lineari chiave con notevole efficienza e potenza di pompaggio minima. I processi dimostrati includono:
- Generazione di seconda armonica (SHG)
- Generazione di frequenza di somma (SFG)
- Generazione di frequenza differenziale (DFG)
- Conversione parametrica verso il basso (PDC)
- Miscelazione a quattro onde (FWM)
Per ottimizzare questi processi sono stati implementati vari schemi di adattamento di fase, affermando LNOI come una piattaforma ottica non lineare altamente versatile.
Dispositivi integrati sintonizzabili elettro-otticamente
La tecnologia LNOI ha inoltre consentito lo sviluppo di un'ampia gamma di dispositivi fotonici sintonizzabili attivi e passivi, quali:
- Modulatori ottici ad alta velocità
- PIC multifunzionali riconfigurabili
- Pettini di frequenza sintonizzabili
- Molle micro-optomeccaniche
Questi dispositivi sfruttano le proprietà EO intrinseche del niobato di litio per ottenere un controllo preciso e ad alta velocità dei segnali luminosi.
Applicazioni pratiche della fotonica LNOI
I PIC basati su LNOI vengono ora adottati in un numero crescente di applicazioni pratiche, tra cui:
- Convertitori da microonde a ottico
- Sensori ottici
- Spettrometri on-chip
- Pettini di frequenza ottica
- Sistemi di telecomunicazione avanzati
Queste applicazioni dimostrano il potenziale dell'LNOI di eguagliare le prestazioni dei componenti ottici di massa, offrendo al contempo soluzioni scalabili ed efficienti dal punto di vista energetico attraverso la fabbricazione fotolitografica.
Sfide attuali e direzioni future
Nonostante i suoi promettenti progressi, la tecnologia LNOI deve affrontare diversi ostacoli tecnici:
a) Ulteriore riduzione della perdita ottica
La perdita di corrente della guida d'onda (0,01 dB/cm) è ancora di un ordine di grandezza superiore al limite di assorbimento del materiale. Sono necessari progressi nelle tecniche di ion-slicing e nella nanofabbricazione per ridurre la rugosità superficiale e i difetti correlati all'assorbimento.
b) Controllo migliorato della geometria della guida d'onda
Per una maggiore densità di integrazione è fondamentale abilitare guide d'onda inferiori a 700 nm e gap di accoppiamento inferiori a 2 μm senza sacrificare la ripetibilità o aumentare la perdita di propagazione.
c) Miglioramento dell'efficienza di accoppiamento
Mentre le fibre rastremate e i convertitori di modalità contribuiscono a raggiungere un'elevata efficienza di accoppiamento, i rivestimenti antiriflesso possono attenuare ulteriormente i riflessi dell'interfaccia aria-materiale.
d) Sviluppo di componenti di polarizzazione a bassa perdita
I dispositivi fotonici insensibili alla polarizzazione su LNOI sono essenziali e richiedono componenti che corrispondano alle prestazioni dei polarizzatori a spazio libero.
e) Integrazione dell'elettronica di controllo
L'integrazione efficace di sistemi elettronici di controllo su larga scala senza compromettere le prestazioni ottiche è una direzione di ricerca fondamentale.
f) Ingegneria avanzata di adattamento di fase e dispersione
Un'affidabile modellazione dei domini con risoluzione sub-micron è fondamentale per l'ottica non lineare, ma rimane una tecnologia immatura sulla piattaforma LNOI.
g) Risarcimento per difetti di fabbricazione
Le tecniche per attenuare gli sfasamenti causati da cambiamenti ambientali o variazioni di fabbricazione sono essenziali per l'implementazione nel mondo reale.
h) Accoppiamento multi-chip efficiente
È necessario affrontare l'accoppiamento efficiente tra più chip LNOI per superare i limiti di integrazione del singolo wafer.
Integrazione monolitica di componenti attivi e passivi
Una sfida fondamentale per i PIC LNOI è l'integrazione monolitica conveniente di componenti attivi e passivi quali:
- Laser
- Rilevatori
- Convertitori di lunghezza d'onda non lineari
- Modulatori
- Multiplexer/Demultiplexer
Le strategie attuali includono:
a) Drogaggio ionico dell'LNOI:
Il drogaggio selettivo di ioni attivi in regioni designate può portare a sorgenti luminose on-chip.
b) Legame e integrazione eterogenea:
Un percorso alternativo consiste nell'incollare PIC LNOI passivi prefabbricati con strati LNOI drogati o laser III-V.
c) Fabbricazione di wafer LNOI ibridi attivi/passivi:
Un approccio innovativo prevede l'unione di wafer LN drogati e non drogati prima del taglio ionico, ottenendo wafer LNOI con regioni sia attive che passive.
Figura 1illustra il concetto di PIC attivi/passivi ibridi integrati, in cui un singolo processo litografico consente l'allineamento e l'integrazione senza soluzione di continuità di entrambi i tipi di componenti.
Integrazione dei fotodetector
L'integrazione dei fotorilevatori nei PIC basati su LNOI rappresenta un altro passo cruciale verso sistemi completamente funzionali. Sono allo studio due approcci principali:
a) Integrazione eterogenea:
Le nanostrutture semiconduttrici possono essere accoppiate transitoriamente alle guide d'onda LNOI. Tuttavia, sono ancora necessari miglioramenti in termini di efficienza di rilevamento e scalabilità.
b) Conversione non lineare della lunghezza d'onda:
Le proprietà non lineari dell'LN consentono la conversione di frequenza all'interno delle guide d'onda, consentendo l'uso di fotodetettori al silicio standard indipendentemente dalla lunghezza d'onda operativa.
Conclusione
Il rapido progresso della tecnologia LNOI avvicina il settore a una piattaforma PIC universale in grado di supportare un'ampia gamma di applicazioni. Affrontando le sfide esistenti e promuovendo innovazioni nell'integrazione di sensori monolitici e di sensori, i PIC basati su LNOI hanno il potenziale per rivoluzionare settori come le telecomunicazioni, l'informazione quantistica e la sensoristica.
LNOI promette di realizzare la visione di lunga data dei PIC scalabili, eguagliando il successo e l'impatto degli EIC. I continui sforzi di ricerca e sviluppo, come quelli della Nanjing Photonics Process Platform e della XiaoyaoTech Design Platform, saranno fondamentali per plasmare il futuro della fotonica integrata e sbloccare nuove possibilità in tutti i settori tecnologici.
Data di pubblicazione: 18-lug-2025