Einführung
Inspiriert vom Erfolg elektronischer integrierter Schaltkreise (EICs) hat sich das Feld der photonischen integrierten Schaltkreise (PICs) seit seiner Einführung im Jahr 1969 weiterentwickelt. Anders als bei EICs bleibt die Entwicklung einer universellen Plattform, die vielfältige photonische Anwendungen unterstützt, jedoch eine große Herausforderung. Dieser Artikel untersucht die aufkommende Lithiumniobat-auf-Isolator-Technologie (LNOI), die sich schnell zu einer vielversprechenden Lösung für PICs der nächsten Generation entwickelt hat.
Der Aufstieg der LNOI-Technologie
Lithiumniobat (LN) gilt seit langem als Schlüsselmaterial für photonische Anwendungen. Erst mit der Entwicklung von Dünnschicht-LNOI und fortschrittlichen Fertigungstechniken konnte sein volles Potenzial ausgeschöpft werden. Forscher haben erfolgreich ultra-verlustarme Rippenwellenleiter und Mikroresonatoren mit ultrahohem Gütefaktor auf LNOI-Plattformen demonstriert [1] – ein bedeutender Fortschritt in der integrierten Photonik.
Hauptvorteile der LNOI-Technologie
- Extrem geringer optischer Verlust(bis zu 0,01 dB/cm)
- Hochwertige nanophotonische Strukturen
- Unterstützung diverser nichtlinearer optischer Prozesse
- Integrierte elektrooptische (EO) Abstimmbarkeit
Nichtlineare optische Prozesse auf LNOI
Leistungsstarke nanophotonische Strukturen, die auf der LNOI-Plattform hergestellt werden, ermöglichen die Realisierung wichtiger nichtlinearer optischer Prozesse mit bemerkenswerter Effizienz und minimaler Pumpleistung. Zu den demonstrierten Prozessen gehören:
- Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG)
- Summenfrequenzerzeugung (SFG)
- Differenzfrequenzerzeugung (DFG)
- Parametrische Downkonvertierung (PDC)
- Vierwellenmischung (FWM)
Zur Optimierung dieser Prozesse wurden verschiedene Phasenanpassungsschemata implementiert, wodurch LNOI zu einer äußerst vielseitigen nichtlinearen optischen Plattform wurde.
Elektrooptisch abstimmbare integrierte Geräte
Die LNOI-Technologie hat außerdem die Entwicklung einer breiten Palette aktiver und passiver abstimmbarer photonischer Geräte ermöglicht, wie beispielsweise:
- Optische Hochgeschwindigkeitsmodulatoren
- Rekonfigurierbare multifunktionale PICs
- Abstimmbare Frequenzkämme
- Mikrooptomechanische Federn
Diese Geräte nutzen die intrinsischen EO-Eigenschaften von Lithiumniobat, um eine präzise Hochgeschwindigkeitssteuerung von Lichtsignalen zu erreichen.
Praktische Anwendungen der LNOI-Photonik
LNOI-basierte PICs werden mittlerweile in einer wachsenden Zahl praktischer Anwendungen eingesetzt, darunter:
- Mikrowellen-zu-optische Konverter
- Optische Sensoren
- On-Chip-Spektrometer
- Optische Frequenzkämme
- Fortschrittliche Telekommunikationssysteme
Diese Anwendungen demonstrieren das Potenzial von LNOI, die Leistung von Bulk-Optikkomponenten zu erreichen und gleichzeitig durch fotolithografische Fertigung skalierbare, energieeffiziente Lösungen anzubieten.
Aktuelle Herausforderungen und zukünftige Richtungen
Trotz vielversprechender Fortschritte steht die LNOI-Technologie vor mehreren technischen Hürden:
a) Weitere Reduzierung des optischen Verlusts
Der aktuelle Wellenleiterverlust (0,01 dB/cm) liegt immer noch um eine Größenordnung über der Materialabsorptionsgrenze. Fortschritte bei Ionenschnitttechniken und Nanofabrikation sind erforderlich, um die Oberflächenrauheit und absorptionsbedingte Defekte zu reduzieren.
b) Verbesserte Kontrolle der Wellenleitergeometrie
Für eine höhere Integrationsdichte ist es entscheidend, Wellenleiter mit einer Größe von unter 700 nm und Kopplungsspalten mit einer Größe von unter 2 μm zu ermöglichen, ohne dabei die Wiederholbarkeit zu beeinträchtigen oder den Ausbreitungsverlust zu erhöhen.
c) Verbesserung der Kopplungseffizienz
Während konische Fasern und Modenkonverter zu einer hohen Kopplungseffizienz beitragen, können Antireflexbeschichtungen die Reflexionen an der Luft-Material-Grenzfläche weiter abschwächen.
d) Entwicklung verlustarmer Polarisationskomponenten
Polarisationsunempfindliche photonische Geräte auf LNOI sind unerlässlich und erfordern Komponenten, die der Leistung von Freiraumpolarisatoren entsprechen.
e) Integration der Steuerelektronik
Die effektive Integration groß angelegter Steuerelektronik ohne Beeinträchtigung der optischen Leistung ist eine wichtige Forschungsrichtung.
f) Fortgeschrittene Phasenanpassung und Dispersionstechnik
Eine zuverlässige Domänenstrukturierung mit einer Auflösung im Submikrometerbereich ist für die nichtlineare Optik von entscheidender Bedeutung, ist auf der LNOI-Plattform jedoch noch immer eine unausgereifte Technologie.
g) Schadensersatz für Fabrikationsfehler
Für den Einsatz in der Praxis sind Techniken zur Abschwächung von Phasenverschiebungen aufgrund von Umweltveränderungen oder Fertigungsabweichungen unerlässlich.
h) Effiziente Multi-Chip-Kopplung
Um die Integrationsgrenzen einzelner Wafer zu überschreiten, ist eine effiziente Kopplung zwischen mehreren LNOI-Chips erforderlich.
Monolithische Integration aktiver und passiver Komponenten
Eine zentrale Herausforderung für LNOI-PICs ist die kostengünstige monolithische Integration aktiver und passiver Komponenten wie:
- Laser
- Detektoren
- Nichtlineare Wellenlängenkonverter
- Modulatoren
- Multiplexer/Demultiplexer
Zu den aktuellen Strategien gehören:
a) Ionendotierung von LNOI:
Durch selektives Dotieren ausgewählter Bereiche mit aktiven Ionen können On-Chip-Lichtquellen entstehen.
b) Bindung und heterogene Integration:
Das Verbinden vorgefertigter passiver LNOI-PICs mit dotierten LNOI-Schichten oder III-V-Lasern bietet einen alternativen Weg.
c) Hybride aktive/passive LNOI-Waferherstellung:
Ein innovativer Ansatz besteht darin, dotierte und undotierte LN-Wafer vor dem Ionenschneiden zu verbinden, wodurch LNOI-Wafer mit sowohl aktiven als auch passiven Bereichen entstehen.
Abbildung 1veranschaulicht das Konzept hybrid integrierter aktiver/passiver PICs, bei denen ein einziger lithografischer Prozess eine nahtlose Ausrichtung und Integration beider Komponententypen ermöglicht.
Integration von Fotodetektoren
Die Integration von Fotodetektoren in LNOI-basierte PICs ist ein weiterer entscheidender Schritt hin zu voll funktionsfähigen Systemen. Zwei Hauptansätze werden untersucht:
a) Heterogene Integration:
Halbleiter-Nanostrukturen können vorübergehend an LNOI-Wellenleiter gekoppelt werden. Allerdings sind noch Verbesserungen der Detektionseffizienz und Skalierbarkeit erforderlich.
b) Nichtlineare Wellenlängenumwandlung:
Die nichtlinearen Eigenschaften von LN ermöglichen eine Frequenzumwandlung innerhalb von Wellenleitern und ermöglichen so die Verwendung von Standard-Silizium-Fotodetektoren unabhängig von der Betriebswellenlänge.
Abschluss
Die rasante Weiterentwicklung der LNOI-Technologie bringt die Branche einer universellen PIC-Plattform näher, die ein breites Anwendungsspektrum abdeckt. Durch die Bewältigung bestehender Herausforderungen und die Weiterentwicklung von Innovationen in der monolithischen und Detektorintegration haben LNOI-basierte PICs das Potenzial, Bereiche wie Telekommunikation, Quanteninformation und Sensorik zu revolutionieren.
LNOI verspricht, die langjährige Vision skalierbarer PICs zu verwirklichen und den Erfolg und die Wirkung von EICs zu erreichen. Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen – wie die der Nanjing Photonics Process Platform und der XiaoyaoTech Design Platform – werden entscheidend dazu beitragen, die Zukunft der integrierten Photonik zu gestalten und neue Möglichkeiten in allen Technologiebereichen zu erschließen.
Veröffentlichungszeit: 18. Juli 2025