Einführung
Inspiriert vom Erfolg elektronischer integrierter Schaltungen (EICs) hat sich das Gebiet der photonischen integrierten Schaltungen (PICs) seit seinen Anfängen im Jahr 1969 stetig weiterentwickelt. Im Gegensatz zu EICs stellt die Entwicklung einer universellen Plattform, die vielfältige photonische Anwendungen ermöglicht, jedoch weiterhin eine große Herausforderung dar. Dieser Artikel untersucht die aufstrebende Lithiumniobat-auf-Isolator-Technologie (LNOI), die sich rasch 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. Sein volles Potenzial konnte jedoch erst mit der Entwicklung von Dünnschicht-LNOI und fortschrittlichen Fertigungstechniken ausgeschöpft werden. Forscher haben erfolgreich verlustarme Wellenleiter und Mikroresonatoren mit extrem hoher Güte auf LNOI-Plattformen demonstriert [1], was einen bedeutenden Fortschritt in der integrierten Photonik darstellt.
Wichtigste Vorteile der LNOI-Technologie
- Extrem geringe optische Verluste(bis hinunter zu 0,01 dB/cm)
- Hochwertige nanophotonische Strukturen
- Unterstützung für diverse nichtlineare optische Prozesse
- Integrierte elektrooptische (EO) Abstimmbarkeit
Nichtlineare optische Prozesse auf LNOI
Hochleistungsfähige 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:
- Frequenzverdopplung (SHG)
- Summenfrequenzerzeugung (SFG)
- Differenzfrequenzerzeugung (DFG)
- Parametrische Abwärtskonvertierung (PDC)
- Vier-Wellen-Mischung (FWM)
Zur Optimierung dieser Prozesse wurden verschiedene Phasenanpassungsverfahren implementiert, wodurch sich LNOI als eine äußerst vielseitige nichtlineare optische Plattform etablierte.
Elektrooptisch abstimmbare integrierte Bauelemente
Die LNOI-Technologie hat auch die Entwicklung einer breiten Palette aktiver und passiver abstimmbarer photonischer Bauelemente ermöglicht, wie zum Beispiel:
- Optische Hochgeschwindigkeitsmodulatoren
- Rekonfigurierbare multifunktionale PICs
- Abstimmbare Frequenzkämme
- Mikrooptomechanische Federn
Diese Geräte nutzen die intrinsischen elektrooptischen Eigenschaften von Lithiumniobat, um eine präzise und schnelle Steuerung von Lichtsignalen zu erreichen.
Praktische Anwendungen der LNOI-Photonik
LNOI-basierte PICs werden mittlerweile in einer wachsenden Zahl praktischer Anwendungen eingesetzt, darunter:
- Mikrowellen-zu-optischen Wandlern
- Optische Sensoren
- On-Chip-Spektrometer
- Optische Frequenzkämme
- Fortschrittliche Telekommunikationssysteme
Diese Anwendungen demonstrieren das Potenzial von LNOI, die Leistung von optischen Massenkomponenten zu erreichen und gleichzeitig durch photolithographische Fertigung skalierbare, energieeffiziente Lösungen anzubieten.
Aktuelle Herausforderungen und zukünftige Richtungen
Trotz vielversprechender Fortschritte steht die LNOI-Technologie vor mehreren technischen Hürden:
a) Weitere Reduzierung der optischen Verluste
Die aktuellen Wellenleiterverluste (0,01 dB/cm) liegen immer noch um eine Größenordnung über der Absorptionsgrenze des Materials. Fortschritte bei Ionenstrahl- und Nanostrukturierungstechniken sind erforderlich, um die Oberflächenrauheit und absorptionsbedingte Defekte zu reduzieren.
b) Verbesserte Wellenleitergeometriekontrolle
Die Realisierung von Wellenleitern unter 700 nm und Kopplungsspalten unter 2 μm ohne Einbußen bei der Wiederholgenauigkeit oder Erhöhung der Ausbreitungsverluste ist für eine höhere Integrationsdichte von entscheidender Bedeutung.
c) Verbesserung der Kopplungseffizienz
Während konische Fasern und Modenwandler zu einer hohen Kopplungseffizienz beitragen, können Antireflexionsbeschichtungen die Reflexionen an der Luft-Material-Grenzfläche weiter verringern.
d) Entwicklung verlustarmer Polarisationskomponenten
Polarisationsunempfindliche photonische Bauelemente auf LNOI sind unerlässlich und erfordern Komponenten, die der Leistung von Freiraumpolarisatoren entsprechen.
e) Integration der Steuerelektronik
Die effektive Integration großflächiger Steuerungselektronik ohne Beeinträchtigung der optischen Leistung ist ein zentrales Forschungsgebiet.
f) Fortschrittliche Phasenanpassung und Dispersionstechnik
Eine zuverlässige Domänenstrukturierung mit Submikrometerauflösung ist für die nichtlineare Optik unerlässlich, stellt aber auf der LNOI-Plattform noch eine unausgereifte Technologie dar.
g) Ausgleich für Herstellungsfehler
Verfahren zur Minderung von Phasenverschiebungen, die durch Umwelteinflüsse oder Fertigungstoleranzen verursacht werden, sind für den Einsatz in der Praxis unerlässlich.
h) Effiziente Multi-Chip-Kopplung
Um die Integrationsgrenzen einzelner Wafer zu überwinden, ist eine effiziente Kopplung zwischen mehreren LNOI-Chips erforderlich.
Monolithische Integration aktiver und passiver Komponenten
Eine zentrale Herausforderung für LNOI PICs ist die kosteneffiziente monolithische Integration aktiver und passiver Komponenten wie zum Beispiel:
- Laser
- Detektoren
- Nichtlineare Wellenlängenkonverter
- Modulatoren
- Multiplexer/Demultiplexer
Zu den aktuellen Strategien gehören:
a) Ionendotierung von LNOI:
Durch gezieltes Einbringen aktiver Ionen in bestimmte Bereiche können Lichtquellen auf einem Chip realisiert werden.
b) Bindung und heterogene Integration:
Das Verbinden vorgefertigter passiver LNOI-PICs mit dotierten LNOI-Schichten oder III-V-Lasern bietet einen alternativen Weg.
c) Herstellung von hybriden aktiven/passiven LNOI-Wafern:
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 von hybriden integrierten aktiven/passiven PICs, bei denen ein einziger lithographischer Prozess die 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 derzeit untersucht:
a) Heterogene Integration:
Halbleiter-Nanostrukturen können vorübergehend an LNOI-Wellenleiter gekoppelt werden. Verbesserungen hinsichtlich Detektionseffizienz und Skalierbarkeit sind jedoch weiterhin erforderlich.
b) Nichtlineare Wellenlängenumwandlung:
Die nichtlinearen Eigenschaften von LN ermöglichen die Frequenzumwandlung innerhalb von Wellenleitern und somit den Einsatz von Standard-Silizium-Fotodetektoren unabhängig von der Betriebswellenlänge.
Abschluss
Die rasante Weiterentwicklung der LNOI-Technologie bringt die Industrie einer universellen PIC-Plattform, die ein breites Anwendungsspektrum abdecken kann, einen Schritt näher. Durch die Bewältigung bestehender Herausforderungen und die Förderung von Innovationen in der monolithischen und Detektorintegration besitzen LNOI-basierte PICs das Potenzial, Bereiche wie Telekommunikation, Quanteninformation und Sensorik grundlegend zu verändern.
LNOI birgt das Potenzial, die langjährige Vision skalierbarer PICs zu verwirklichen und an den Erfolg und die Wirkung von EICs anzuknüpfen. Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten – wie beispielsweise 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 verschiedenen Technologiebereichen zu erschließen.
Veröffentlichungsdatum: 18. Juli 2025