giriiş
Elektronik entegre devrelerin (EIC'ler) başarısından ilham alan fotonik entegre devreler (PIC'ler) alanı, 1969'daki kuruluşundan bu yana gelişmeye devam ediyor. Ancak, EIC'lerin aksine, çeşitli fotonik uygulamaları destekleyebilen evrensel bir platformun geliştirilmesi büyük bir zorluk olmaya devam ediyor. Bu makale, yeni nesil PIC'ler için hızla umut vadeden bir çözüm haline gelen, Yalıtkan Üzerinde Lityum Niyobat (LNOI) teknolojisini inceliyor.
LNOI Teknolojisinin Yükselişi
Lityum niyobat (LN), uzun zamandır fotonik uygulamalar için kilit bir malzeme olarak kabul edilmektedir. Ancak, tam potansiyeli ancak ince film LNOI ve gelişmiş üretim tekniklerinin ortaya çıkmasıyla ortaya çıkmıştır. Araştırmacılar, LNOI platformlarında ultra düşük kayıplı sırt dalga kılavuzlarını ve ultra yüksek Q'lu mikrorezonatörleri başarıyla sergileyerek [1], entegre fotonikte önemli bir sıçramaya işaret etmektedir.
LNOI Teknolojisinin Temel Avantajları
- Ultra düşük optik kayıp(0,01 dB/cm kadar düşük)
- Yüksek kaliteli nanofotonik yapılar
- Çeşitli doğrusal olmayan optik süreçler için destek
- Entegre elektro-optik (EO) ayarlanabilirlik
LNOI Üzerinde Doğrusal Olmayan Optik İşlemler
LNOI platformunda üretilen yüksek performanslı nanofotonik yapılar, önemli doğrusal olmayan optik süreçlerin olağanüstü verimlilik ve minimum pompa gücüyle gerçekleştirilmesini sağlar. Kanıtlanmış süreçler şunlardır:
- İkinci Harmonik Üretimi (SHG)
- Toplam Frekans Üretimi (SFG)
- Fark Frekans Üretimi (DFG)
- Parametreli Aşağı Dönüştürme (PDC)
- Dört Dalga Karıştırma (FWM)
Bu süreçleri optimize etmek için çeşitli faz eşleştirme şemaları uygulandı ve LNOI'nin oldukça çok yönlü doğrusal olmayan optik bir platform olduğu ortaya çıktı.
Elektro-Optik Olarak Ayarlanabilir Entegre Cihazlar
LNOI teknolojisi ayrıca aşağıdakiler gibi geniş yelpazede aktif ve pasif ayarlanabilir fotonik cihazların geliştirilmesine de olanak sağlamıştır:
- Yüksek hızlı optik modülatörler
- Yeniden yapılandırılabilir çok işlevli PIC'ler
- Ayarlanabilir frekans tarakları
- Mikro-optomekanik yaylar
Bu cihazlar, ışık sinyallerinin hassas ve yüksek hızlı kontrolünü sağlamak için lityum niyobatın içsel EO özelliklerini kullanır.
LNOI Fotoniklerinin Pratik Uygulamaları
LNOI tabanlı PIC'ler giderek artan sayıda pratik uygulamada benimsenmektedir, bunlar arasında şunlar yer almaktadır:
- Mikrodalga-optik dönüştürücüler
- Optik sensörler
- Çip üstü spektrometreler
- Optik frekans tarakları
- Gelişmiş telekomünikasyon sistemleri
Bu uygulamalar, LNOI'nin fotolitografik üretim yoluyla ölçeklenebilir, enerji açısından verimli çözümler sunarken, toplu optik bileşenlerin performansına ulaşma potansiyelini göstermektedir.
Mevcut Zorluklar ve Gelecekteki Yönler
LNOI teknolojisi umut verici ilerlemesine rağmen bazı teknik engellerle karşı karşıyadır:
a) Optik Kaybın Daha da Azaltılması
Mevcut dalga kılavuzu kaybı (0,01 dB/cm), malzeme emilim sınırından hâlâ bir kat daha yüksektir. Yüzey pürüzlülüğünü ve emilim kaynaklı kusurları azaltmak için iyon dilimleme teknikleri ve nanofabrikasyonda ilerlemelere ihtiyaç vardır.
b) Geliştirilmiş Dalga Kılavuzu Geometrisi Kontrolü
Tekrarlanabilirlikten ödün vermeden veya yayılma kaybını artırmadan 700 nm altındaki dalga kılavuzlarını ve 2 μm altındaki bağlantı boşluklarını etkinleştirmek, daha yüksek entegrasyon yoğunluğu için çok önemlidir.
c) Bağlantı Verimliliğinin Artırılması
Konik fiberler ve mod dönüştürücüler yüksek bağlantı verimliliğine ulaşılmasına yardımcı olurken, yansıma önleyici kaplamalar hava-malzeme arayüzü yansımalarını daha da azaltabilir.
d) Düşük Kayıplı Polarizasyon Bileşenlerinin Geliştirilmesi
LNOI üzerindeki polarizasyona duyarsız fotonik cihazlar, serbest uzay polarizörlerinin performansına uygun bileşenler gerektiren, olmazsa olmaz cihazlardır.
e) Kontrol Elektroniğinin Entegrasyonu
Optik performansı düşürmeden büyük ölçekli kontrol elektroniğinin etkili bir şekilde entegre edilmesi önemli bir araştırma konusudur.
f) Gelişmiş Faz Eşleştirme ve Dağılım Mühendisliği
Alt mikron çözünürlükte güvenilir alan desenlemesi doğrusal olmayan optikler için hayati öneme sahiptir ancak LNOI platformunda henüz olgunlaşmamış bir teknoloji olmaya devam etmektedir.
g) Üretim Hatalarının Tazmini
Çevresel değişiklikler veya üretim farklılıkları nedeniyle oluşan faz kaymalarını hafifletmeye yönelik teknikler, gerçek dünyadaki uygulamalar için önemlidir.
h) Verimli Çok Çipli Bağlantı
Tek yonga entegrasyon sınırlarının ötesine ölçeklenebilmek için birden fazla LNOI yongası arasında verimli bir bağlantının sağlanması gerekmektedir.
Aktif ve Pasif Bileşenlerin Monolitik Entegrasyonu
LNOI PIC'ler için temel zorluklardan biri, aktif ve pasif bileşenlerin maliyet açısından uygun monolitik entegrasyonudur:
- Lazerler
- Dedektörler
- Doğrusal olmayan dalga boyu dönüştürücüler
- Modülatörler
- Çoklayıcılar/Çoklayıcılar
Mevcut stratejiler şunları içerir:
a) LNOI'nin İyon Katkılanması:
Aktif iyonların belirlenmiş bölgelere seçici olarak eklenmesi, çip üzerinde ışık kaynaklarına yol açabilir.
b) Bağlanma ve Heterojen Entegrasyon:
Önceden üretilmiş pasif LNOI PIC'lerin katkılı LNOI katmanları veya III-V lazerlerle birleştirilmesi alternatif bir yol sağlar.
c) Hibrit Aktif/Pasif LNOI Wafer Üretimi:
Yenilikçi bir yaklaşım, iyon dilimleme işleminden önce katkılanmış ve katkısız LN yongalarının birbirine bağlanmasını içerir ve bunun sonucunda hem aktif hem de pasif bölgelere sahip LNOI yongaları elde edilir.
Şekil 1Hibrit entegre aktif/pasif PIC'lerin konseptini göstermektedir; burada tek bir litografik işlem, her iki tipteki bileşenin kusursuz bir şekilde hizalanmasını ve entegre edilmesini sağlar.
Fotodedektörlerin Entegrasyonu
Fotodedektörlerin LNOI tabanlı PIC'lere entegre edilmesi, tam işlevsel sistemlere doğru atılan bir diğer önemli adımdır. İki temel yaklaşım araştırılmaktadır:
a) Heterojen Entegrasyon:
Yarı iletken nanoyapılar, LNOI dalga kılavuzlarına geçici olarak bağlanabilir. Ancak, algılama verimliliği ve ölçeklenebilirlik açısından iyileştirmelere hâlâ ihtiyaç duyulmaktadır.
b) Doğrusal Olmayan Dalga Boyu Dönüşümü:
LN'nin doğrusal olmayan özellikleri, dalga kılavuzları içinde frekans dönüşümüne izin vererek, çalışma dalga boyundan bağımsız olarak standart silikon fotodedektörlerin kullanılmasını mümkün kılar.
Çözüm
LNOI teknolojisinin hızla ilerlemesi, sektörü geniş bir uygulama yelpazesine hizmet edebilen evrensel bir PIC platformuna yaklaştırıyor. Mevcut zorlukları ele alarak ve monolitik ve dedektör entegrasyonundaki yenilikleri ileriye taşıyarak, LNOI tabanlı PIC'ler telekomünikasyon, kuantum bilgi ve algılama gibi alanlarda devrim yaratma potansiyeline sahip.
LNOI, ölçeklenebilir PIC'lerin uzun süredir devam eden vizyonunu, EIC'lerin başarısı ve etkisiyle aynı seviyeye getirme vaadinde bulunmaktadır. Nanjing Fotonik İşlem Platformu ve XiaoyaoTech Tasarım Platformu gibi kuruluşların sürekli Ar-Ge çalışmaları, entegre fotoniklerin geleceğini şekillendirmede ve teknoloji alanlarında yeni olanakların kilidini açmada kilit rol oynayacaktır.
Gönderi zamanı: 18 Temmuz 2025