Lithium Niobate on Insulator (LNOI)- Photonic Integrated Circuits များ၏ တိုးတက်မှုကို မောင်းနှင်ခြင်း

နိဒါန်း

အီလက်ထရွန်းနစ်ပေါင်းစပ်ဆားကစ်များ (EICs) ၏အောင်မြင်မှုကြောင့် မှုတ်သွင်းခံရသော photonic integrated circuits (PICs) နယ်ပယ်သည် 1969 ခုနှစ်ကတည်းက စတင်ပြောင်းလဲလာခဲ့သည်။ သို့သော်လည်း EICs နှင့်မတူဘဲ၊ မတူကွဲပြားသော photonic applications များကို ပံ့ပိုးပေးနိုင်သော universal platform ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှုသည် အဓိကစိန်ခေါ်မှုတစ်ခုဖြစ်သည်။ ဤဆောင်းပါးသည် မျိုးဆက်သစ် PIC များအတွက် လျင်မြန်စွာ အလားအလာရှိသော ဖြေရှင်းချက်ဖြစ်လာသည့် ပေါ်ထွက်နေသော Lithium Niobate Insulator (LNOI) နည်းပညာကို လေ့လာထားသည်။

LNOI နည်းပညာ ထွန်းကားလာခြင်း

Lithium niobate (LN) သည် photonic applications များအတွက် အဓိက ပစ္စည်းတစ်ခုအဖြစ် ကာလကြာရှည်စွာ အသိအမှတ်ပြုခံခဲ့ရသည်။ သို့သော်၊ ပါးလွှာသော LNOI နှင့် အဆင့်မြင့် တီထွင်ဖန်တီးမှုနည်းပညာများ ထွန်းကားလာမှသာ ၎င်း၏ အပြည့်အဝ အလားအလာကို သော့ဖွင့်လိုက်ပြီဖြစ်သည်။ သုတေသီများသည် LNOI ပလပ်ဖောင်းများ [1] တွင် အလွန်နိမ့်သောဆုံးရှုံးမှုလှိုင်းလမ်းညွှန်များနှင့် အလွန်မြင့်မားသော Q microresonators များကို အောင်မြင်စွာသရုပ်ပြခဲ့ပြီး၊ ပေါင်းစပ်ဓာတ်ပုံနစ်များတွင် သိသာထင်ရှားစွာ ခုန်တက်သွားခဲ့သည်။

LNOI နည်းပညာ၏ အဓိက အားသာချက်များ

• အလွန်နည်းသော အလင်းပြန်မှု ဆုံးရှုံးမှု(0.01 dB/cm အထိ)
• အရည်အသွေးမြင့် nanophotonic တည်ဆောက်ပုံများ
• ကွဲပြားသော လိုင်းမဟုတ်သော အလင်းပြန်မှု လုပ်ငန်းစဉ်များအတွက် ပံ့ပိုးမှု
• ပေါင်းစပ်လျှပ်စစ်-အလင်းကြည့်စနစ် (EO) ထုတ်လွှင့်နိုင်စွမ်း

LNOI တွင် linear မဟုတ်သော optical လုပ်ငန်းစဉ်များ

LNOI ပလပ်ဖောင်းပေါ်တွင် ဖန်တီးထားသော စွမ်းဆောင်ရည်မြင့် နာနိုဖိုတိုနစ် အဆောက်အဦများသည် သိသိသာသာ ထိရောက်မှုနှင့် စုပ်စွမ်းအား အနည်းဆုံးဖြင့် အဓိက လိုင်းမဟုတ်သော အလင်းပြန်ခြင်း လုပ်ငန်းစဉ်များကို အကောင်အထည်ဖော်နိုင်စေပါသည်။ သရုပ်ပြ လုပ်ငန်းစဉ်များ ပါဝင်သည်-

• Second Harmonic Generation (SHG)
• ပေါင်းလဒ်ကြိမ်နှုန်း မျိုးဆက် (SFG)
• ကွဲပြားသော ကြိမ်နှုန်း မျိုးဆက် (DFG)
• Parametric Down-Conversion (PDC)
• Four-Wave Mixing (FWM)

LNOI သည် အလွန်စွယ်စုံနိုင်သော လိုင်းမဟုတ်သော အလင်းပလက်ဖောင်းတစ်ခုအဖြစ် ဤလုပ်ငန်းစဉ်များကို အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် လုပ်ဆောင်ရန် အမျိုးမျိုးသော အဆင့်-ကိုက်ညီသော အစီအစဉ်များကို အကောင်အထည်ဖော်ခဲ့သည်။

Electro-Optically Tunable ပေါင်းစပ်ကိရိယာများ

LNOI နည်းပညာသည် တက်ကြွပြီး passive tunable photonic ကိရိယာများကဲ့သို့သော ကျယ်ပြန့်စွာ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှုကိုလည်း လုပ်ဆောင်နိုင်သည်

• မြန်နှုန်းမြင့် optical modulator များ
• ပြန်လည်ပြင်ဆင်နိုင်သော ဘက်စုံသုံး PIC များ
• ချိန်ညှိနိုင်သော ကြိမ်နှုန်း ဘီးများ
• Micro-optomechanical စမ်းများ

ဤစက်ပစ္စည်းများသည် အလင်းအချက်ပြမှုများကို တိကျပြီး မြန်နှုန်းမြင့်ထိန်းချုပ်မှုရရှိရန် လစ်သီယမ်နီအိုဘိတ်၏ ပင်ကိုယ် EO ဂုဏ်သတ္တိများကို အသုံးချသည်။

LNOI Photonics ၏လက်တွေ့အသုံးချမှုများ

LNOI-based PIC များကို ယခုအခါတွင် လက်တွေ့ကျသော အသုံးချပရိုဂရမ်များ အများအပြားတွင် လက်ခံကျင့်သုံးလျက်ရှိသည်-

• မိုက်ခရိုဝေ့မှ အလင်းပြန်ပြောင်းစက်များ
• အလင်းအာရုံခံကိရိယာများ
• On-chip spectrometers
• Optical frequency ခေါင်းဖြီး
• အဆင့်မြင့် ဆက်သွယ်ရေးစနစ်များ

ဤအပလီကေးရှင်းများသည် photolithographic ဖန်တီးမှုမှတစ်ဆင့် အရွယ်အစားအလိုက်နိုင်သော၊ စွမ်းအင်သက်သာသောဖြေရှင်းချက်များအား ပေးဆောင်နေချိန်တွင် အစုလိုက်အပြုံလိုက် optic အစိတ်အပိုင်းများ၏ စွမ်းဆောင်ရည်နှင့်ကိုက်ညီရန် LNOI ၏ အလားအလာကို သရုပ်ပြပါသည်။

လက်ရှိစိန်ခေါ်မှုများနှင့် အနာဂတ်လမ်းကြောင်းများ

၎င်း၏ အလားအလာကောင်းသော တိုးတက်မှုရှိသော်လည်း LNOI နည်းပညာသည် နည်းပညာဆိုင်ရာ အတားအဆီးများစွာနှင့် ရင်ဆိုင်နေရသည်-

က) Optical Loss ကို ထပ်မံလျှော့ချခြင်း။
လက်ရှိ waveguide loss (0.01 dB/cm) သည် ပစ္စည်းစုပ်ယူမှု ကန့်သတ်ချက်ထက် ပြင်းအား ပမာဏ ပိုများနေသေးသည်။ မျက်နှာပြင် ကြမ်းတမ်းမှုနှင့် စုပ်ယူမှုဆိုင်ရာ ချို့ယွင်းချက်များကို လျှော့ချရန် အိုင်းယွန်းဖြတ်ခြင်းနည်းပညာများနှင့် နာနိုဗိဇိနည်းပညာများ တိုးတက်လာရန် လိုအပ်ပါသည်။

ခ) ပိုမိုကောင်းမွန်သော Waveguide Geometry ထိန်းချုပ်မှု
700 nm waveguides ခွဲများနှင့် sub-2 μm coupling gaps များကို ထပ်တလဲလဲနိုင်မှု သို့မဟုတ် ပြန့်ပွားခြင်းဆုံးရှုံးမှုကို တိုးမြှင့်ခြင်းမပြုဘဲ ပိုမိုမြင့်မားသောပေါင်းစပ်သိပ်သည်းဆအတွက် အရေးကြီးပါသည်။

ဂ) Coupling Efficiency ကို မြှင့်တင်ခြင်း။
ချည်မျှင်များနှင့် မုဒ်ပြောင်းစက်များသည် မြင့်မားသော coupling ထိရောက်မှုကို ရရှိစေရန် ကူညီပေးသော်လည်း၊ anti-reflection coatings များသည် air-material interface reflections များကို ပိုမိုလျော့ပါးသက်သာစေပါသည်။

ဃ) Low-Loss Polarization အစိတ်အပိုင်းများ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်ရေး
LNOI ရှိ Polarization-အာရုံမခံသော ဖိုနစ်ကိရိယာများသည် မရှိမဖြစ်လိုအပ်ပြီး နေရာလွတ်ပိုလာဇာများ၏ စွမ်းဆောင်ရည်နှင့် ကိုက်ညီသော အစိတ်အပိုင်းများ လိုအပ်ပါသည်။

င) ထိန်းချုပ်မှု အီလက်ထရွန်းနစ်ပစ္စည်းများ ပေါင်းစပ်ခြင်း။
ကြီးမားသောထိန်းချုပ်မှုအီလက်ထရွန်းနစ်ပစ္စည်းများကို ထိထိရောက်ရောက်ပေါင်းစပ်ခြင်းသည် optical စွမ်းဆောင်ရည်ကိုကျဆင်းစေခြင်းမရှိဘဲ အဓိကကျသောသုတေသနလမ်းညွှန်ချက်တစ်ခုဖြစ်သည်။

f) အဆင့်မြင့် Phase Matching နှင့် Dispersion Engineering
sub-micron resolution တွင် ယုံကြည်စိတ်ချရသော ဒိုမိန်းပုံစံပြုလုပ်ခြင်းသည် linear မဟုတ်သော optics အတွက် အရေးကြီးသော်လည်း LNOI ပလပ်ဖောင်းတွင် မရင့်ကျက်သောနည်းပညာတစ်ခုအဖြစ် ကျန်ရှိနေပါသည်။

ဆ) ထုတ်လုပ်မှု ချို့ယွင်းချက်များအတွက် လျော်ကြေးငွေ
ပတ်ဝန်းကျင်ပြောင်းလဲမှု သို့မဟုတ် ဖန်တီးမှုကွဲလွဲမှုများကြောင့် ဖြစ်ပေါ်လာသော အဆင့်အပြောင်းအရွှေ့များကို လျော့ပါးသက်သာစေရန် နည်းပညာများသည် လက်တွေ့ကမ္ဘာတွင် အသုံးချရန်အတွက် မရှိမဖြစ်လိုအပ်ပါသည်။

ဇ) ထိရောက်သော Multi-Chip Coupling
single-wafer ပေါင်းစည်းမှုကန့်သတ်ချက်များကိုကျော်လွန်ရန် LNOI ချစ်ပ်များစွာကြားတွင် ထိရောက်သောချိတ်ဆက်မှုကို ဖြေရှင်းရန် လိုအပ်ပါသည်။

Active နှင့် Passive အစိတ်အပိုင်းများ၏ Monolithic ပေါင်းစပ်ခြင်း။

LNOI PIC များအတွက် အဓိကစိန်ခေါ်မှုမှာ ကုန်ကျစရိတ်သက်သာသော monolithic ပေါင်းစပ်မှုဖြစ်သည့် တက်ကြွပြီး passive အစိတ်အပိုင်းများဖြစ်သည့်-

• လေဆာများ
• ထောက်လှမ်းမှုများ
• Nonlinear wavelength converters များ
• မော်ဂျူးများ
• Multiplexers/Demultiplexers

လက်ရှိဗျူဟာများ ပါဝင်သည်-

က) LNOI ၏ အိုင်းယွန်းဆေး၊
သတ်မှတ်ထားသောနေရာများသို့ တက်ကြွသောအိုင်းယွန်းများကို ရွေးချယ်သုံးစွဲခြင်းသည် ချစ်ပ်ပေါ်ရှိအလင်းရင်းမြစ်များဆီသို့ ဦးတည်သွားစေနိုင်သည်။

ခ) နှောင်ကြိုးနှင့် ကွဲပြားသော ပေါင်းစည်းမှု-
ကြိုတင်ဖန်တီးထားသော passive LNOI PIC များကို doped LNOI အလွှာများ သို့မဟုတ် III-V လေဆာများဖြင့် ပေါင်းစပ်ခြင်းသည် အခြားလမ်းကြောင်းကို ပံ့ပိုးပေးပါသည်။

ဂ) Hybrid Active/Passive LNOI Wafer Fabrication-
ဆန်းသစ်သောချဉ်းကပ်မှုတစ်ခုတွင် အိုင်းယွန်းလှီးဖြတ်ခြင်းမပြုမီ doped နှင့် undoped LN wafers များပါ၀င်သည်၊ ရလဒ်အနေဖြင့် LNOI wafers များတွင် active နှင့် passive region နှစ်ခုလုံးပါဝင်ပါသည်။

ပုံ ၁တစ်ခုတည်းသော lithographic လုပ်ငန်းစဉ်သည် အစိတ်အပိုင်းနှစ်ခုစလုံး၏ ချောမွေ့စွာ ချိန်ညှိမှုနှင့် ပေါင်းစပ်မှုကို ပံ့ပိုးပေးသည့် ပေါင်းစပ် ပေါင်းစပ်တက်ကြွမှု/ passive PIC ၏ သဘောတရားကို သရုပ်ဖော်သည်။

Photodetectors များ ပေါင်းစပ်ခြင်း။

Photodetectors များကို LNOI-based PICs များတွင် ပေါင်းစပ်ခြင်းသည် အပြည့်အဝလုပ်ဆောင်နိုင်သော စနစ်များဆီသို့ နောက်ထပ်အရေးကြီးသောခြေလှမ်းတစ်ခုဖြစ်သည်။ အဓိက ချဉ်းကပ်မှု နှစ်ခုကို စုံစမ်းစစ်ဆေးနေဆဲဖြစ်သည်-

က) ကွဲပြားသော ပေါင်းစည်းမှု-
Semiconductor nanostructures များကို LNOI waveguides များနှင့် ယာယီတွဲစပ်နိုင်သည်။ သို့သော်၊ ထောက်လှမ်းမှု ထိရောက်မှုနှင့် ချဲ့ထွင်နိုင်မှုကို မြှင့်တင်ရန် လိုအပ်နေသေးသည်။

ခ) Nonlinear Wavelength ပြောင်းလဲခြင်း-
LN ၏ လိုင်းမဟုတ်သော ဂုဏ်သတ္တိများသည် လှိုင်းအလျားနှင့် မသက်ဆိုင်ဘဲ ပုံမှန် ဆီလီကွန် ဓာတ်ပုံdetectors များကို အသုံးပြုခြင်းဖြင့် လှိုင်းလမ်းညွှန်များအတွင်း ကြိမ်နှုန်းပြောင်းလဲခြင်းကို ခွင့်ပြုသည်။

နိဂုံး

LNOI နည်းပညာ၏ လျင်မြန်သော တိုးတက်မှုသည် လုပ်ငန်းနယ်ပယ်ကို ကျယ်ပြန့်သော အသုံးချပရိုဂရမ်များကို ဝန်ဆောင်မှုပေးနိုင်သော စကြဝဠာ PIC ပလပ်ဖောင်းနှင့် ပိုမိုနီးကပ်စေပါသည်။ လက်ရှိစိန်ခေါ်မှုများကိုဖြေရှင်းကာ monolithic နှင့် detector ပေါင်းစပ်မှုတွင် ဆန်းသစ်တီထွင်မှုများကို ရှေ့သို့တွန်းတင်ခြင်းဖြင့် LNOI-based PIC များသည် တယ်လီဖုန်းဆက်သွယ်ရေး၊ ကွမ်တမ်သတင်းအချက်အလက်နှင့် အာရုံခံခြင်းကဲ့သို့သော နယ်ပယ်များကို တော်လှန်ရန် အလားအလာရှိသည်။

LNOI သည် EICs များ၏ အောင်မြင်မှုနှင့် အကျိုးသက်ရောက်မှုများကို လိုက်လျောညီထွေဖြစ်စေသော အရွယ်အစားရှိ PIC များ၏ ရေရှည်မျှော်မှန်းချက်ကို ဖြည့်ဆည်းပေးမည်ဟု ကတိပြုထားသည်။ Nanjing Photonics Process Platform နှင့် XiaoyaoTech Design Platform ကဲ့သို့သော ဆက်တိုက် R&D ကြိုးပမ်းမှုများ—သည် ပေါင်းစပ်ဓာတ်ပုံနစ်များ၏ အနာဂတ်ကို ပုံဖော်ရန်နှင့် နည်းပညာနယ်ပယ်များတစ်လျှောက် ဖြစ်နိုင်ခြေအသစ်များကို သော့ဖွင့်ရန်အတွက် အဓိကကျမည်ဖြစ်သည်။