Pengenalan
Diinspirasikan oleh kejayaan litar bersepadu elektronik (EIC), bidang litar bersepadu fotonik (PIC) telah berkembang sejak penubuhannya pada tahun 1969. Walau bagaimanapun, tidak seperti EIC, pembangunan platform universal yang mampu menyokong pelbagai aplikasi fotonik kekal sebagai cabaran utama. Artikel ini meneroka teknologi Lithium Niobate on Insulator (LNOI) yang baru muncul, yang telah pesat menjadi penyelesaian yang menjanjikan untuk PIC generasi akan datang.
Kebangkitan Teknologi LNOI
Litium niobate (LN) telah lama diiktiraf sebagai bahan utama untuk aplikasi fotonik. Walau bagaimanapun, hanya dengan kemunculan LNOI filem nipis dan teknik fabrikasi canggih, potensi penuhnya telah dicungkil. Penyelidik telah berjaya menunjukkan pandu gelombang rabung kehilangan ultra rendah dan mikroresonator Q ultra tinggi pada platform LNOI [1], menandakan lonjakan ketara dalam fotonik bersepadu.
Kelebihan Utama Teknologi LNOI
- Kerugian optik ultra rendah(serendah 0.01 dB/cm)
- Struktur nanofotonik berkualiti tinggi
- Sokongan untuk pelbagai proses optik tak linear
- Kebolehtalaan elektro-optik (EO) bersepadu
Proses Optik Tak Linear pada LNOI
Struktur nanofotonik berprestasi tinggi yang dibuat pada platform LNOI membolehkan realisasi proses optik tak linear utama dengan kecekapan yang luar biasa dan kuasa pam yang minimum. Proses yang ditunjukkan termasuk:
- Generasi Harmonik Kedua (SHG)
- Penjanaan Frekuensi Jumlah (SFG)
- Penjanaan Frekuensi Perbezaan (DFG)
- Penukaran Turun Parametrik (PDC)
- Pencampuran Empat Gelombang (FWM)
Pelbagai skim pemadanan fasa telah dilaksanakan untuk mengoptimumkan proses ini, menjadikan LNOI sebagai platform optik tak linear yang sangat versatil.
Peranti Bersepadu Boleh Tala Elektro-Optik
Teknologi LNOI juga telah membolehkan pembangunan pelbagai peranti fotonik boleh tala aktif dan pasif, seperti:
- Modulator optik berkelajuan tinggi
- PIC pelbagai fungsi yang boleh dikonfigurasikan semula
- Sikat frekuensi yang boleh ditala
- Pegas mikro-optomekanikal
Peranti ini memanfaatkan sifat EO intrinsik litium niobate untuk mencapai kawalan isyarat cahaya yang tepat dan berkelajuan tinggi.
Aplikasi Praktikal Fotonik LNOI
PIC berasaskan LNOI kini sedang diguna pakai dalam semakin banyak aplikasi praktikal, termasuk:
- Penukar gelombang mikro kepada optik
- Sensor optik
- Spektrometer atas cip
- Sikat frekuensi optik
- Sistem telekomunikasi canggih
Aplikasi-aplikasi ini menunjukkan potensi LNOI untuk menandingi prestasi komponen optik pukal, sambil menawarkan penyelesaian cekap tenaga yang boleh diskala melalui fabrikasi fotolitografi.
Cabaran Semasa dan Hala Tuju Masa Depan
Walaupun terdapat kemajuan yang memberangsangkan, teknologi LNOI menghadapi beberapa halangan teknikal:
a) Mengurangkan Kehilangan Optik Selanjutnya
Kehilangan pandu gelombang arus (0.01 dB/cm) masih satu peringkat magnitud yang lebih tinggi daripada had penyerapan bahan. Kemajuan dalam teknik penghirisan ion dan nanofabrikasi diperlukan untuk mengurangkan kekasaran permukaan dan kecacatan berkaitan penyerapan.
b) Kawalan Geometri Pandu Gelombang yang Dipertingkatkan
Mengaktifkan pandu gelombang sub-700 nm dan jurang gandingan sub-2 μm tanpa mengorbankan kebolehulangan atau meningkatkan kehilangan perambatan adalah penting untuk ketumpatan integrasi yang lebih tinggi.
c) Meningkatkan Kecekapan Gandingan
Walaupun gentian tirus dan penukar mod membantu mencapai kecekapan gandingan yang tinggi, salutan anti-pantulan dapat mengurangkan lagi pantulan antara muka udara-bahan.
d) Pembangunan Komponen Polarisasi Kerugian Rendah
Peranti fotonik yang tidak sensitif terhadap polarisasi pada LNOI adalah penting, memerlukan komponen yang sepadan dengan prestasi polariser ruang bebas.
e) Integrasi Elektronik Kawalan
Mengintegrasikan elektronik kawalan berskala besar secara berkesan tanpa menjejaskan prestasi optik merupakan hala tuju penyelidikan utama.
f) Kejuruteraan Pemadanan dan Penyebaran Fasa Lanjutan
Corak domain yang boleh dipercayai pada resolusi sub-mikron adalah penting untuk optik tak linear tetapi kekal sebagai teknologi yang belum matang pada platform LNOI.
g) Pampasan untuk Kecacatan Fabrikasi
Teknik untuk mengurangkan anjakan fasa yang disebabkan oleh perubahan persekitaran atau varians fabrikasi adalah penting untuk penggunaan di dunia sebenar.
h) Gandingan Berbilang Cip yang Cekap
Menangani gandingan yang cekap antara berbilang cip LNOI adalah perlu untuk melangkaui had integrasi wafer tunggal.
Integrasi Monolitik Komponen Aktif dan Pasif
Cabaran teras untuk LNOI PIC ialah integrasi monolitik yang kos efektif bagi komponen aktif dan pasif seperti:
- Laser
- Pengesan
- Penukar panjang gelombang tak linear
- Modulator
- Pemultipleks/Demultipleks
Strategi semasa termasuk:
a) Doping Ion LNOI:
Doping selektif ion aktif ke dalam kawasan yang ditetapkan boleh membawa kepada sumber cahaya atas cip.
b) Ikatan dan Integrasi Heterogen:
Ikatan PIC LNOI pasif pasang siap dengan lapisan LNOI yang didop atau laser III-V menyediakan laluan alternatif.
c) Fabrikasi Wafer LNOI Aktif/Pasif Hibrid:
Satu pendekatan inovatif melibatkan pengikatan wafer LN yang didop dan tidak didop sebelum penghirisan ion, menghasilkan wafer LNOI dengan kedua-dua kawasan aktif dan pasif.
Rajah 1menggambarkan konsep PIC aktif/pasif bersepadu hibrid, yang mana satu proses litografi membolehkan penjajaran dan penyepaduan kedua-dua jenis komponen secara lancar.
Integrasi Fotodetektor
Mengintegrasikan fotodetektor ke dalam PIC berasaskan LNOI merupakan satu lagi langkah penting ke arah sistem yang berfungsi sepenuhnya. Dua pendekatan utama sedang disiasat:
a) Integrasi Heterogen:
Nanostruktur semikonduktor boleh digandingkan secara sementara kepada pandu gelombang LNOI. Walau bagaimanapun, penambahbaikan dalam kecekapan pengesanan dan kebolehskalaan masih diperlukan.
b) Penukaran Panjang Gelombang Tak Linear:
Sifat tak linear LN membolehkan penukaran frekuensi dalam pandu gelombang, membolehkan penggunaan fotodetektor silikon standard tanpa mengira panjang gelombang operasi.
Kesimpulan
Kemajuan pesat teknologi LNOI membawa industri lebih dekat kepada platform PIC universal yang mampu memenuhi pelbagai aplikasi. Dengan menangani cabaran sedia ada dan mendorong inovasi dalam penyepaduan monolitik dan pengesan, PIC berasaskan LNOI berpotensi untuk merevolusikan bidang seperti telekomunikasi, maklumat kuantum dan penderiaan.
LNOI memegang janji untuk memenuhi visi PIC berskala yang telah lama wujud, setanding dengan kejayaan dan impak EIC. Usaha R&D yang berterusan—seperti yang dilakukan oleh Platform Proses Fotonik Nanjing dan Platform Reka Bentuk XiaoyaoTech—akan menjadi penting dalam membentuk masa depan fotonik bersepadu dan membuka kemungkinan baharu merentasi domain teknologi.
Masa siaran: 18 Julai 2025