Utangulizi
Ikihamasishwa na mafanikio ya saketi zilizounganishwa za kielektroniki (EICs), uwanja wa saketi zilizounganishwa za picha (PICs) zimekuwa zikibadilika tangu kuanzishwa kwake mnamo 1969. Hata hivyo, tofauti na EICs, uundaji wa jukwaa la ulimwengu wote linaloweza kusaidia utumizi tofauti wa picha bado ni changamoto kubwa. Makala haya yanachunguza teknolojia inayoibuka ya Lithium Niobate kwenye Kihami (LNOI), ambayo imekuwa suluhu la kuahidi kwa PIC za kizazi kijacho.
Kupanda kwa Teknolojia ya LNOI
Lithium niobate (LN) imetambuliwa kwa muda mrefu kama nyenzo muhimu kwa programu za kupiga picha. Hata hivyo, tu kwa ujio wa LNOI ya filamu nyembamba na mbinu za uundaji wa hali ya juu ndio uwezo wake kamili umefunguliwa. Watafiti wamefaulu kuonyesha miongozo ya mawimbi ya mawimbi yenye hasara ya chini kabisa na viongeza sauti vya hali ya juu vya juu vya Q kwenye majukwaa ya LNOI [1], kuashiria kiwango kikubwa katika upigaji picha jumuishi.
Manufaa Muhimu ya Teknolojia ya LNOI
- Upotezaji wa chini wa macho(chini ya 0.01 dB/cm)
- Miundo ya nanophotonic yenye ubora wa juu
- Usaidizi kwa michakato mbalimbali ya macho isiyo ya mstari
- Uwezo wa pamoja wa macho ya kielektroniki (EO).
Michakato ya Macho isiyo ya Mistari kwenye LNOI
Miundo ya nanophotonic yenye utendakazi wa juu iliyobuniwa kwenye jukwaa la LNOI huwezesha utambuzi wa michakato muhimu ya macho isiyo na mstari kwa ufanisi wa ajabu na nguvu ndogo ya pampu. Taratibu zilizoonyeshwa ni pamoja na:
- Kizazi cha Pili cha Harmonic (SHG)
- Uzalishaji wa Marudio ya Jumla (SFG)
- Uzalishaji wa Marudio ya Tofauti (DFG)
- Parametric Down-Conversion (PDC)
- Mchanganyiko wa Mawimbi manne (FWM)
Miradi mbalimbali ya kulinganisha awamu imetekelezwa ili kuboresha michakato hii, na kuanzisha LNOI kama jukwaa la macho lisilo na mstari linalobadilika sana.
Vifaa Vilivyounganishwa vya Electro-Optically
Teknolojia ya LNOI pia imewezesha uundaji wa anuwai ya vifaa vya kupiga picha vinavyotumika na visivyotumika, kama vile:
- Modulators za macho za kasi ya juu
- PIC zenye kazi nyingi zinazoweza kusanidiwa upya
- masega ya masafa yanayoweza kutumika
- Chemchemi za Micro-optomechanical
Vifaa hivi hutumia sifa za asili za EO za niobate ya lithiamu kufikia udhibiti sahihi, wa kasi wa juu wa mawimbi ya mwanga.
Utumiaji Vitendo wa LNOI Photonics
PIC zenye msingi wa LNOI sasa zinapitishwa katika idadi inayoongezeka ya matumizi ya vitendo, ikijumuisha:
- Vigeuzi vya microwave-to-optical
- Sensorer za macho
- Vipimo vya kupima kwenye chip
- Optical frequency anasafisha
- Mifumo ya hali ya juu ya mawasiliano ya simu
Programu hizi zinaonyesha uwezo wa LNOI kuendana na utendakazi wa vijenzi vingi vya macho, huku zikitoa masuluhisho makubwa, yenye ufanisi wa nishati kupitia uundaji wa picha za picha.
Changamoto za Sasa na Maelekezo ya Baadaye
Licha ya maendeleo yake ya kuahidi, teknolojia ya LNOI inakabiliwa na vikwazo kadhaa vya kiufundi:
a) Kupunguza Zaidi Upotezaji wa Macho
Upotevu wa mwongozo wa wimbi (0.01 dB/cm) bado ni mpangilio wa ukubwa wa juu kuliko kikomo cha ufyonzaji wa nyenzo. Maendeleo katika mbinu za kukata ioni na nanofabrication inahitajika ili kupunguza ukali wa uso na kasoro zinazohusiana na unyonyaji.
b) Udhibiti wa Jiometri wa Waveguide ulioboreshwa
Kuwasha miongozo ya mawimbi ya chini ya 700 nm na mapengo ya kuunganisha ya sub-2 μm bila kuacha kujirudia au kuongeza upotezaji wa uenezi ni muhimu kwa msongamano wa juu zaidi wa ujumuishaji.
c) Kuimarisha Ufanisi wa Kuunganisha
Ingawa nyuzi zilizopunguzwa na vigeuzi vya modi husaidia kufikia ufanisi wa juu wa kuunganisha, mipako ya kuzuia kuakisi inaweza kupunguza zaidi uakisi wa kiolesura cha nyenzo-hewa.
d) Uendelezaji wa Vipengele vya Ugawanyiko wa Hasara ya Chini
Vifaa vya kupiga picha visivyohisi ubaguzi kwenye LNOI ni muhimu, vinahitaji vipengee vinavyolingana na utendaji wa vichanganuzi vya nafasi huru.
e) Ujumuishaji wa Udhibiti wa Elektroniki
Kuunganisha kwa ufanisi vifaa vya kielektroniki vya udhibiti wa kiwango kikubwa bila utendaji duni wa macho ni mwelekeo muhimu wa utafiti.
f) Uhandisi wa Ulinganishaji na Mtawanyiko wa Awamu ya Juu
Uundaji wa kikoa unaotegemewa katika azimio la micron ndogo ni muhimu kwa macho yasiyo ya mstari lakini bado ni teknolojia ambayo haijakomaa kwenye mfumo wa LNOI.
g) Fidia kwa Kasoro za Utengenezaji
Mbinu za kupunguza mabadiliko ya awamu yanayosababishwa na mabadiliko ya mazingira au tofauti za uundaji ni muhimu kwa utumiaji wa ulimwengu halisi.
h) Uunganishaji Bora wa Multi-Chip
Kushughulikia muunganisho mzuri kati ya chip nyingi za LNOI ni muhimu ili kuongeza mipaka ya ujumuishaji wa kaki moja.
Ushirikiano wa Monolithic wa Vipengele vya Active na Passive
Changamoto kuu kwa LNOI PICs ni ujumuishaji wa monolithic wa gharama nafuu wa vijenzi amilifu na tulivu kama vile:
- Laser
- Vigunduzi
- Vigeuzi visivyo vya mstari wa urefu wa mawimbi
- Modulators
- Multiplexers/Demultiplexers
Mikakati ya sasa ni pamoja na:
a) Ion Doping ya LNOI:
Doping iliyochaguliwa ya ayoni amilifu katika maeneo maalum inaweza kusababisha vyanzo vya mwanga kwenye chip.
b) Uunganishaji na Ushirikiano wa Tofauti:
Kuunganisha PIC za LNOI zilizoundwa awali na safu za LNOI zilizo na doped au leza za III-V hutoa njia mbadala.
c) Utengenezaji Mseto Amilifu/Passive LNOI:
Mbinu bunifu inahusisha kuunganisha kaki za LN zilizofungwa na zisizofunguliwa kabla ya kukatwa kwa ayoni, hivyo kusababisha kaki za LNOI zenye maeneo amilifu na tulivu.
Kielelezo cha 1inaonyesha dhana ya mseto wa PICs amilifu/amilifu zilizojumuishwa, ambapo mchakato mmoja wa lithographic huwezesha upatanishi usio na mshono na ujumuishaji wa aina zote mbili za vijenzi.
Ushirikiano wa Photodetectors
Kuunganisha vitambua picha kwenye PIC zinazotegemea LNOI ni hatua nyingine muhimu kuelekea mifumo inayofanya kazi kikamilifu. Njia mbili kuu zinachunguzwa:
a) Muunganisho wa Tofauti:
Miundo ya semiconductor inaweza kuunganishwa kwa muda kwa miongozo ya mawimbi ya LNOI. Hata hivyo, uboreshaji wa ufanisi wa ugunduzi na upanuzi bado unahitajika.
b) Ubadilishaji wa Urefu wa Wavelength usio na mstari:
Sifa zisizo za mstari za LN huruhusu ubadilishaji wa marudio ndani ya miongozo ya mawimbi, kuwezesha matumizi ya vitambua picha vya kawaida vya silicon bila kujali urefu wa mawimbi ya uendeshaji.
Hitimisho
Maendeleo ya haraka ya teknolojia ya LNOI huleta tasnia karibu na jukwaa la jumla la PIC lenye uwezo wa kuhudumia anuwai ya matumizi. Kwa kushughulikia changamoto zilizopo na kusukuma mbele ubunifu katika uunganishaji wa monolithic na kigunduzi, PIC zenye msingi wa LNOI zina uwezo wa kuleta mapinduzi katika nyanja kama vile mawasiliano ya simu, taarifa za kiasi na hisia.
LNOI inashikilia ahadi ya kutimiza maono ya muda mrefu ya PICs hatarishi, zinazolingana na mafanikio na athari za EIC. Jitihada zinazoendelea za R&D—kama vile zile kutoka kwa Mfumo wa Mchakato wa Picha za Nanjing na Jukwaa la Usanifu la XiaoyaoTech—zitakuwa muhimu katika kuunda mustakabali wa upigaji picha jumuishi na kufungua uwezekano mpya katika nyanja zote za teknolojia.
Muda wa kutuma: Jul-18-2025