مقدمة
مستوحىً من نجاح الدوائر المتكاملة الإلكترونية (EICs)، شهد مجال الدوائر المتكاملة الفوتونية (PICs) تطورًا ملحوظًا منذ نشأته عام ١٩٦٩. ومع ذلك، وخلافًا للدوائر المتكاملة الإلكترونية، لا يزال تطوير منصة عالمية قادرة على دعم تطبيقات فوتونية متنوعة يمثل تحديًا كبيرًا. تستكشف هذه المقالة تقنية نيوبات الليثيوم على العازل (LNOI) الناشئة، والتي سرعان ما أصبحت حلاً واعدًا للجيل القادم من الدوائر المتكاملة الفوتونية.
صعود تكنولوجيا LNOI
لطالما عُرف نيوبات الليثيوم (LN) بأنه مادة أساسية في التطبيقات الفوتونية. ومع ذلك، لم تُكتشف إمكاناته الكاملة إلا مع ظهور تقنية نيوبات الليثيوم (LNOI) ذات الأغشية الرقيقة وتقنيات التصنيع المتقدمة. وقد نجح الباحثون في عرض أدلة موجية ذات سلاسل منخفضة الفقد للغاية ومرنانات دقيقة فائقة الجودة على منصات نيوبات الليثيوم (LNOI) [1]، مما يُمثل نقلة نوعية في مجال الفوتونيات المتكاملة.
المزايا الرئيسية لتكنولوجيا LNOI
- خسارة بصرية منخفضة للغاية(أقل من 0.01 ديسيبل/سم)
- هياكل نانوية فوتونية عالية الجودة
- دعم العمليات البصرية غير الخطية المتنوعة
- ضبط الكهروضوئي المتكامل (EO)
العمليات البصرية غير الخطية على LNOI
تُمكّن الهياكل النانوفوتونية عالية الأداء، المُصنّعة على منصة LNOI، من تحقيق عمليات بصرية غير خطية رئيسية بكفاءة عالية واستهلاك منخفض للطاقة. تشمل العمليات المُبيّنة ما يلي:
- التوليد التوافقي الثاني (SHG)
- توليد التردد الإجمالي (SFG)
- توليد الترددات المختلفة (DFG)
- التحويل التنازلي البارامتري (PDC)
- خلط الموجات الأربع (FWM)
تم تنفيذ مخططات مختلفة لمطابقة الطور لتحسين هذه العمليات، مما أدى إلى تأسيس LNOI كمنصة بصرية غير خطية متعددة الاستخدامات.
الأجهزة المتكاملة القابلة للضبط الكهروضوئي
كما مكنت تقنية LNOI أيضًا من تطوير مجموعة واسعة من الأجهزة الفوتونية القابلة للضبط النشطة والسلبية، مثل:
- معدِّلات بصرية عالية السرعة
- وحدات PIC متعددة الوظائف قابلة لإعادة التكوين
- أمشاط التردد القابلة للضبط
- نوابض ميكانيكية بصرية دقيقة
تستفيد هذه الأجهزة من خصائص EO الجوهرية لنيوبات الليثيوم لتحقيق التحكم الدقيق والعالي السرعة في إشارات الضوء.
التطبيقات العملية لفوتونيات LNOI
يتم الآن اعتماد PICs المستندة إلى LNOI في عدد متزايد من التطبيقات العملية، بما في ذلك:
- محولات الميكروويف إلى البصرية
- أجهزة الاستشعار البصرية
- أجهزة قياس الطيف على الشريحة
- أمشاط التردد البصري
- أنظمة الاتصالات المتقدمة
تظهر هذه التطبيقات إمكانات LNOI في مطابقة أداء المكونات البصرية السائبة، مع تقديم حلول قابلة للتطوير وكفاءة في استخدام الطاقة من خلال التصنيع الضوئي.
التحديات الحالية والتوجهات المستقبلية
على الرغم من التقدم الواعد الذي أحرزته تقنية LNOI، فإنها تواجه العديد من العقبات الفنية:
أ) تقليل الخسارة البصرية بشكل أكبر
لا يزال فقدان تيار الموجّه الموجي (0.01 ديسيبل/سم) أعلى بعشر مرات من حد امتصاص المادة. ويلزم تطوير تقنيات تقطيع الأيونات والتصنيع النانوي لتقليل خشونة السطح والعيوب المرتبطة بالامتصاص.
ب) تحسين التحكم في هندسة الموجة الموجهة
يعد تمكين الموجهات الموجية التي يقل طولها عن 700 نانومتر وفجوات الاقتران التي يقل طولها عن 2 ميكرومتر دون التضحية بالقدرة على التكرار أو زيادة فقدان الانتشار أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق كثافة تكامل أعلى.
ج) تعزيز كفاءة الاقتران
في حين تساعد الألياف المخروطية ومحولات الوضع على تحقيق كفاءة اقتران عالية، فإن الطلاءات المضادة للانعكاس يمكن أن تخفف بشكل أكبر من انعكاسات واجهة الهواء والمواد.
د) تطوير مكونات الاستقطاب منخفضة الخسارة
تعتبر الأجهزة الفوتونية غير الحساسة للاستقطاب على LNOI ضرورية، وتتطلب مكونات تتوافق مع أداء المستقطبات في الفضاء الحر.
هـ) تكامل إلكترونيات التحكم
يعد دمج إلكترونيات التحكم واسعة النطاق بشكل فعال دون تدهور الأداء البصري اتجاهًا بحثيًا رئيسيًا.
و) هندسة مطابقة الطور والتشتت المتقدمة
يعد إنشاء أنماط مجال موثوق بها بدقة دون الميكرون أمرًا حيويًا للبصريات غير الخطية ولكنها تظل تقنية غير ناضجة على منصة LNOI.
ز) التعويض عن عيوب التصنيع
إن التقنيات المستخدمة للتخفيف من تحولات الطور الناجمة عن التغيرات البيئية أو اختلافات التصنيع ضرورية للنشر في العالم الحقيقي.
ح) اقتران متعدد الشرائح فعال
إن معالجة الاقتران الفعال بين شرائح LNOI المتعددة أمر ضروري للتوسع إلى ما هو أبعد من حدود تكامل الشريحة الفردية.
التكامل المتجانس للمكونات النشطة والسلبية
إن التحدي الأساسي الذي يواجه LNOI PICs هو التكامل المتجانس الفعال من حيث التكلفة للمكونات النشطة والسلبية مثل:
- الليزر
- أجهزة الكشف
- محولات الطول الموجي غير الخطية
- المُعدِّلات
- أجهزة مضاعفة/فك مضاعفة الإرسال
وتشمل الاستراتيجيات الحالية ما يلي:
أ) التطعيم الأيوني لـ LNOI:
يمكن أن يؤدي التنشيط الانتقائي للأيونات النشطة في مناطق محددة إلى ظهور مصادر ضوء على الشريحة.
ب) الترابط والتكامل غير المتجانس:
يوفر ربط PICs LNOI السلبية المصنعة مسبقًا بطبقات LNOI المخدرة أو الليزر III-V مسارًا بديلًا.
ج) تصنيع رقاقة LNOI الهجينة النشطة/السلبية:
يتضمن النهج المبتكر ربط رقائق LN المشبعة وغير المشبعة قبل تقطيع الأيونات، مما يؤدي إلى الحصول على رقائق LNOI مع مناطق نشطة وسلبية.
الشكل 1يوضح مفهوم PICs النشطة/السلبية الهجينة المتكاملة، حيث تعمل عملية الطباعة الحجرية الواحدة على تمكين المحاذاة والتكامل السلس لكلا النوعين من المكونات.
دمج أجهزة الكشف الضوئية
يُعد دمج أجهزة الكشف الضوئية في أجهزة PIC القائمة على LNOI خطوةً حاسمةً أخرى نحو أنظمة تعمل بكامل طاقتها. ويجري حاليًا البحث في نهجين رئيسيين:
أ) التكامل غير المتجانس:
يمكن ربط البنى النانوية شبه الموصلة بشكل مؤقت بموجهات موجات LNOI. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى تحسينات في كفاءة الكشف وقابلية التوسع.
ب) تحويل الطول الموجي غير الخطي:
تسمح خصائص LN غير الخطية بتحويل التردد داخل الموجهات الموجية، مما يتيح استخدام أجهزة الكشف الضوئية السيليكونية القياسية بغض النظر عن الطول الموجي التشغيلي.
خاتمة
يُقرّب التقدم السريع لتقنية LNOI الصناعة من منصة PIC عالمية قادرة على خدمة مجموعة واسعة من التطبيقات. ومن خلال مواجهة التحديات القائمة ودفع عجلة الابتكارات في تكامل الأجهزة المتجانسة والكاشفات، تتمتع PICs القائمة على LNOI بالقدرة على إحداث ثورة في مجالات مثل الاتصالات والمعلومات الكمومية والاستشعار.
يبشر مشروع LNOI بتحقيق الرؤية الراسخة لدوائر PIC القابلة للتطوير، بما يضاهي نجاح وتأثير دوائر EIC. وستكون جهود البحث والتطوير المستمرة - كتلك المبذولة في منصة نانجينغ للعمليات الفوتونية ومنصة شياوياوتيك للتصميم - محورية في رسم مستقبل الفوتونيات المتكاملة وفتح آفاق جديدة في مختلف مجالات التكنولوجيا.
وقت النشر: ١٨ يوليو ٢٠٢٥