소개
전자 집적 회로(EIC)의 성공에 힘입어 광자 집적 회로(PIC) 분야는 1969년 설립 이후 꾸준히 발전해 왔습니다. 그러나 EIC와는 달리, 다양한 광자 응용 분야를 지원할 수 있는 범용 플랫폼 개발은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 본 논문에서는 차세대 PIC의 유망한 솔루션으로 빠르게 부상하고 있는 리튬 니오베이트 온 인슐레이터(LNOI) 기술에 대해 살펴봅니다.
LNOI 기술의 부상
리튬 니오베이트(LN)는 오랫동안 광자 응용 분야의 핵심 소재로 인식되어 왔습니다. 그러나 박막 LNOI(리튬 니오베이트)와 첨단 제조 기술의 등장으로 비로소 LN의 잠재력이 완전히 발휘되었습니다. 연구진은 LNOI 플랫폼에서 초저손실 리지 도파관과 초고Q 마이크로공진기를 성공적으로 시연하여 [1] 집적 광자학 분야에서 큰 도약을 이루었습니다.
LNOI 기술의 주요 장점
- 매우 낮은 광 손실(최소 0.01 dB/cm)
- 고품질 나노포토닉 구조
- 다양한 비선형 광학 프로세스 지원
- 통합 전기광학(EO) 조정 가능성
LNOI에서의 비선형 광학 프로세스
LNOI 플랫폼에서 제작된 고성능 나노포토닉 구조는 뛰어난 효율과 최소 펌프 전력으로 주요 비선형 광학 공정을 구현할 수 있도록 합니다. 시연된 공정은 다음과 같습니다.
- 2차 고조파 생성(SHG)
- 합 주파수 생성(SFG)
- 차이 주파수 생성(DFG)
- 매개변수 하향 변환(PDC)
- 4파 혼합(FWM)
이러한 과정을 최적화하기 위해 다양한 위상 일치 방식이 구현되어 LNOI가 매우 다재다능한 비선형 광학 플랫폼으로 자리 잡았습니다.
전기광학적으로 조정 가능한 집적 장치
LNOI 기술은 또한 다음과 같은 광범위한 능동 및 수동 조정 광자 소자의 개발을 가능하게 했습니다.
- 고속 광 변조기
- 재구성 가능한 다기능 PIC
- 조정 가능한 주파수 빗
- 마이크로 광기계 스프링
이러한 장치는 리튬 니오베이트의 본질적인 EO 특성을 활용하여 광 신호를 정확하고 고속으로 제어합니다.
LNOI 광자공학의 실용적 응용
LNOI 기반 PIC는 현재 다음을 포함한 점점 더 많은 실제 응용 분야에 채택되고 있습니다.
- 마이크로파-광 변환기
- 광학 센서
- 온칩 분광기
- 광 주파수 빗
- 첨단 통신 시스템
이러한 응용 프로그램은 광석판 제조를 통해 확장 가능하고 에너지 효율적인 솔루션을 제공하는 동시에 대량 광학 구성 요소의 성능과 맞먹는 LNOI의 잠재력을 보여줍니다.
현재의 과제와 미래 방향
LNOI 기술은 유망한 진전에도 불구하고 몇 가지 기술적 어려움에 직면해 있습니다.
a) 광 손실 추가 감소
현재 도파관 손실(0.01 dB/cm)은 여전히 재료 흡수 한계보다 훨씬 높습니다. 표면 거칠기와 흡수 관련 결함을 줄이기 위해서는 이온 슬라이싱 기술과 나노 제조 기술의 발전이 필요합니다.
b) 개선된 도파관 형상 제어
반복성을 희생하거나 전파 손실을 증가시키지 않고 700nm 미만의 광파관과 2μm 미만의 결합 간격을 구현하는 것은 더 높은 집적 밀도를 위해 매우 중요합니다.
c) 커플링 효율성 향상
테이퍼형 파이버와 모드 컨버터는 높은 결합 효율을 달성하는 데 도움이 되는 반면, 반사 방지 코팅은 공기-재료 계면 반사를 더욱 완화할 수 있습니다.
d) 저손실 편광 소자 개발
LNOI의 편광에 민감하지 않은 광자 소자는 필수적이며, 자유 공간 편광판의 성능과 일치하는 구성 요소가 필요합니다.
e) 제어 전자 장치의 통합
광학 성능을 저하시키지 않고 대규모 제어 전자 장치를 효과적으로 통합하는 것이 핵심 연구 방향입니다.
f) 고급 위상 매칭 및 분산 엔지니어링
서브 마이크론 분해능의 신뢰할 수 있는 도메인 패터닝은 비선형 광학에 필수적이지만 LNOI 플랫폼에서는 여전히 미숙한 기술입니다.
g) 제조 결함에 대한 보상
환경 변화나 제조상의 차이로 인한 위상 변화를 완화하는 기술은 실제 구현에 필수적입니다.
h) 효율적인 멀티칩 결합
단일 웨이퍼 통합 한계를 넘어 확장하려면 여러 LNOI 칩 간의 효율적인 결합을 해결하는 것이 필요합니다.
능동 및 수동 구성 요소의 일체형 통합
LNOI PIC의 핵심 과제는 다음과 같은 능동 및 수동 구성 요소의 비용 효율적인 일체형 통합입니다.
- 레이저
- 감지기
- 비선형 파장 변환기
- 변조기
- 멀티플렉서/디멀티플렉서
현재 전략은 다음과 같습니다.
a) LNOI의 이온 도핑:
지정된 영역에 활성 이온을 선택적으로 도핑하면 칩 내부 광원을 얻을 수 있습니다.
b) 결합 및 이종 집적:
미리 제작된 수동 LNOI PIC를 도핑된 LNOI 층이나 III-V 레이저와 결합하면 대체 경로가 제공됩니다.
c) 하이브리드 액티브/패시브 LNOI 웨이퍼 제조:
혁신적인 접근 방식은 이온 슬라이싱 전에 도핑된 LN 웨이퍼와 도핑되지 않은 LN 웨이퍼를 결합하는 것으로, 이를 통해 활성 영역과 수동 영역을 모두 갖춘 LNOI 웨이퍼를 만들 수 있습니다.
그림 1단일 리소그래피 공정을 통해 두 가지 유형의 구성 요소를 원활하게 정렬하고 통합할 수 있는 하이브리드 통합 능동/수동 PIC의 개념을 설명합니다.
광검출기의 통합
LNOI 기반 PIC에 광검출기를 통합하는 것은 완전한 기능을 갖춘 시스템을 구축하기 위한 또 다른 중요한 단계입니다. 현재 두 가지 주요 접근 방식이 연구되고 있습니다.
a) 이기종 통합:
반도체 나노구조는 LNOI 도파관에 일시적으로 결합될 수 있습니다. 그러나 검출 효율과 확장성의 개선이 여전히 필요합니다.
b) 비선형 파장 변환:
LN의 비선형적 특성 덕분에 광파관 내에서 주파수 변환이 가능하므로 작동 파장에 관계없이 표준 실리콘 광검출기를 사용할 수 있습니다.
결론
LNOI 기술의 급속한 발전은 업계가 광범위한 애플리케이션을 지원할 수 있는 범용 PIC 플랫폼에 한 걸음 더 다가가게 했습니다. LNOI 기반 PIC는 기존의 과제를 해결하고 모놀리식 및 검출기 통합 분야의 혁신을 추진함으로써 통신, 양자 정보, 센싱 등의 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다.
LNOI는 확장 가능한 PIC라는 오랜 비전을 실현하고 EIC의 성공과 영향력에 버금가는 성과를 달성할 것을 약속합니다. 난징 포토닉스 공정 플랫폼(Nanjing Photonics Process Platform)과 샤오야오테크 설계 플랫폼(XiaoyaoTech Design Platform)과 같은 지속적인 연구개발 노력은 집적 포토닉스의 미래를 형성하고 다양한 기술 분야에서 새로운 가능성을 열어가는 데 중추적인 역할을 할 것입니다.
게시 시간: 2025년 7월 18일