Поскольку искусственный интеллект, высокоскоростная оптическая связь, квантовые технологии и фотонические интегральные схемы продолжают развиваться, передовые оптические материалы становятся все более важными.Среди них литий ниобат (LiNbO3 или LN) стал одним из наиболее перспективных фотонических материалов благодаря его выдающейся электрооптической, нелинейной оптической, акустооптической,и термооптические свойства.

На протяжении десятилетий литий-ниобат широко используется в оптических модуляторах, преобразователях частот и лазерных системах.традиционные оптовые волноводы LN страдают от низкой плотности интеграции и слабого оптического ограничения, ограничивая их применение в фотонических чипах следующего поколения.

КоммерциализацияНиобат лития на изоляторе (LNOI)кардинально изменила эту ситуацию.

Тонкопленочный ниобат лития сочетает в себе исключительные оптические свойства LN с компактностью и масштабируемостью современной интегрированной фотоники.что делает его одной из самых важных материальных платформ для будущей оптической связи и фотонической интеграции..

Что делает литий ниобат особенным?

Ниобат лития является многофункциональным кристаллом, способным одновременно реагировать на несколько физических полей, включая:

• Оптические поля
• Электрические поля
• Акустические волны
• Тепловые эффекты

Эта мультифизическая способность делает LN очень подходящим для передовых фотонических систем.

Ключевые оптические свойства ниобата лития

Широкое окно оптической прозрачности

Ниобат лития предлагает широкий диапазон передачи от:

• от 320 до 5000 нм

Это позволяет применять в:

• Телекоммуникационная фотоника
• Инфракрасная оптика
• Квантовая фотоника
• Нелинейная оптика

Сильный электрооптический эффект

LN демонстрирует хорошо известный эффект Покельса, где показатель преломления изменяется линейно с примененным напряжением.

Это свойство позволяет:

• Модуляторы высокоскоростных оптических устройств
• Обработка сигнала с низкой задержкой
• Энергоэффективная оптическая связь

По сравнению с кремниевой фотоникой, модуляторы LN предлагают значительно более быструю скорость отклика и меньшее искажение сигнала.

Отличная нелинейная оптическая производительность

Ниобат лития обладает большим нелинейным коэффициентом второго порядка, что делает его очень эффективным для:

• Второе гармоническое поколение (SHG)
• Совокупная генерация частоты (SFG)
• Производство разной частоты (DFG)
• Производство оптической частотной чешуи
• Производство квантовых фотоновых пар

В результате LN широко считается одним из самых важных нелинейных оптических материалов в интегрированной фотонике.

Акустооптические и пьезоэлектрические свойства

LN также поддерживает:

• Акусто-оптическая модуляция
• Пиезоэлектрическая сцепка
• Взаимодействие микроволн и оптики

Это делает его очень привлекательным для:

• РЧ-фотоника
• Микроволновые фотонические системы
• Акусто-оптические устройства

Возникновение тонкопленочного ниобата лития (LNOI)

Традиционные устройства массового LN основывались в основном на диффузионных волноводах с очень низким индексом преломления контраста, в результате чего:

• Отпечатки больших устройств
• Слабое оптическое ограничение
• Ограниченные возможности интеграции

Появление технологии LNOI решило эти ограничения.

Типичная структура LNOI

Тонкопленочный ниобат лития обычно состоит из трех слоев:

Верхний слой

• Однокристаллическая тонкая пленка LN
• Толщина в сотнях нанометров
• Индекс преломления ≈ 2.14

Средний слой

• Изоляционный слой диоксида кремния (SiO2)
• Типично ~ 2 мкм толщины
• Индекс преломления ≈ 1.44

Нижняя подложка

• Кремниевый или LN субстрат

Эта структура создает высокий контрастный показатель преломления примерно 0.7, что позволяет обеспечить сильное оптическое заключение и компактные фотонические устройства.

Производство тонкопленочного ниобата лития

Современное изготовление LNOI обычно использует:

• Нарезка кристаллических ионов
• Прямая связь пластин
• Полировка CMP
• Технологии сухого гравирования

Процесс изготовления, как правило, включает:

1. Имплантация ионов He+ в массовую LN
2. Осаждение SiO2
3. Полировка CMP высокой плоскости
4. Соединение пластин
5. Тепловое расщепление
6. Поверхностная полировка

Результатом является сверхгладкая тонкая пленка LN, подходящая для высокопроизводительной фотонической интеграции.

Интегрированные фотонические устройства на основе тонкопленочного ниобата лития

Внедрение LNOI вызвало большую революцию в интегрированной фотонике.

Сегодня исследователи успешно продемонстрировали различные микро/нанофотонные устройства на платформах LN.

Литий ниобатные волноводы

Оптические волноводы являются базовыми структурами взаимосвязи фотонических чипов.

Два ключевых показателя эффективности:

• Способность к оптической блокировке
• Потеря размножения

Водопроводы хребта

Водопроводы, изготовленные сухим гравированием, стали основным решением, потому что они обеспечивают:

• Сильное заключение
• Малый радиус изгиба
• Высокая плотность интеграции

Общие технологии изготовления включают:

• Электронная лучевая литография (EBL)
• Реактивное ионное офортание (RIE)
• Производство с помощью CMP

Усовершенствованные методы изготовления уже достигли сверхнизких потерь распространения ниже:

• 00,03 дБ/см

Этот уровень является очень конкурентоспособным для крупномасштабной фотонической интеграции.

Резонаторные структуры

Оптические резонаторы являются важными строительными блоками в интегрированной фотонике.

Общие LN-резонаторы включают:

Микродисковые резонаторы

Поддержка шепотом галереи режимов с высокими Q-факторами.

Микрорезонаторы

Широко используется для:

• Оптическая фильтрация
• Модуляция
• Производство частотных гребней

Фотонические кристаллические полости

Предложение:

• Малый объем режима
• Сильное усиление поля
• Улучшенное нелинейное взаимодействие

Эти резонаторы необходимы для компактных интегрированных оптических систем.

Нелинейные фотонические устройства

Одной из самых больших сильных сторон LN?? является нелинейная оптика.

Устройства для преобразования частоты

LNOI поддерживает высокоэффективные:

• SHG
• SFG
• DFG
• СПДК

с использованием таких методов, как:

• Квазифазное совпадение (QPM)
• Периодически полированный ниобат лития (PPLN)

Исследователи продемонстрировали чрезвычайно высокую нелинейную эффективность конверсии на волноводах LN, что делает платформу очень привлекательной для:

• Квантовая оптика
• Обработка оптического сигнала
• Системы частотного расчеса

Интегрированные электрооптические модуляторы

Электрооптическая модуляция остается одним из наиболее важных коммерческих применений LN.

Модуляторы Mach-Zehnder (MZM)

Тонкопленочная ЛН позволяет использовать компактные высокоскоростные МЗМ с:

• Низкое полуволновое напряжение
• Высокая пропускная способность
• Низкая потеря вставки
• Совместимость CMOS

По сравнению с кремниевыми модуляторами модуляторы LN предлагают:

• Быстрее реагировать
• Лучшая линейность
• Более низкое потребление энергии

Эти преимущества делают TFLN одной из ведущих технологий для:

• Оптические модули 800G
• 1.6T оптические соединения
• Сетевое взаимодействие с центрами данных ИИ

Оптическая прибыль и лазерные структуры

ЛН-структуры, допированные редкоземельными веществами, позволяют:

• Оптические усилители на чипе
• Интегрированные лазеры
• Квантовые источники света

К распространенным допантам относятся:

• Эрбий (Er)
• Тулий (Tm)

Эти устройства очень перспективны для интегрированных систем оптической связи.

Технологии оптического обнаружения и соединения

Эффективное оптическое соединение имеет решающее значение для практических фотонических чипов.

К распространенным методам сцепления относятся:

Сцепляющие решетки

Подходит для:

• Сцепление из волокон на микросхему
• Испытания по шкале пластинки

Круговая сцепка

Предложение:

• Широкополосная связь
• Нижняя потеря вставки

Коническая волноводная сцепка

Используется для эффективного преобразования режима между:

• Силиконовые волноводы
• СиН волноводы
• Водопроводы LN

Возникающие применения фотоники LNOI

Литий ниобат с тонким пленкой быстро расширяется за пределы обычных телекоммуникационных приложений.

ИИ оптические взаимосвязи

Высокоскоростные модуляторы для кластеров ИИ и гипермасштабных центров обработки данных.

Квантовая фотоника

Квантовые памяти, генерация запутанных фотонов и конверсия квантовой частоты.

Микроволновая фотоника

Обработка радиочастотного сигнала и преобразование микроволновой в оптическую.

Оптические частотные гребцы

Интегрированная генерация частотных чешуек для обнаружения и связи.

Интегрированные оптические вычисления

Будущие фотонические вычислительные архитектуры с сверхнизкой задержкой.

Будущее литиевого ниобата

Литий ниобат с тонким пленкой все чаще признается одной из самых важных фотонических материалов нового поколения.

Объединяя:

• Высокая электрооптическая производительность
• Отличные нелинейные свойства
• Высокая оптическая изоляция
• CMOS-совместимая интеграция

LNOI будет играть важную роль в будущем:

• Системы оптической связи
• Сетевая инфраструктура ИИ
• Квантовые информационные технологии
• Интегрированные фотонические чипы

Поскольку технологии производства продолжают развиваться, фотоника литий-ниобата стремительно переходит от лабораторных исследований к крупномасштабному промышленному применению.

Заключение

Литий ниобат с тонким пленкой изменил ландшафт интегрированной фотоники.

То, что когда-то ограничивалось объемными структурами устройств, теперь становится масштабируемой, высокоплотной, высокопроизводительной фотонической платформой, способной поддерживать:

• Оптическая генерация
• Передача сигнала
• Электрооптическая модуляция
• Нелинейное преобразование частоты
• Оптическое обнаружение
• Квантовая обработка информации

С быстрым ростом вычислений ИИ, высокоскоростными оптическими соединениями и продвинутой фотонической интеграцией,Ожидается, что LNOI станет одной из фундаментальных технологий оптических систем следующего поколения.