pengenalan
Diilhamkan oleh kejayaan litar bersepadu elektronik (EIC), bidang litar bersepadu fotonik (PIC) telah berkembang sejak penubuhannya pada tahun 1969. Namun, tidak seperti EIC, pembangunan platform universal yang mampu menyokong aplikasi fotonik yang pelbagai kekal sebagai cabaran utama. Artikel ini meneroka teknologi Lithium Niobate on Insulator (LNOI) yang muncul, yang telah menjadi penyelesaian yang menjanjikan untuk PIC generasi akan datang.
Kebangkitan Teknologi LNOI
Lithium niobate (LN) telah lama diiktiraf sebagai bahan utama untuk aplikasi fotonik. Walau bagaimanapun, hanya dengan kemunculan LNOI filem nipis dan teknik fabrikasi lanjutan potensi penuhnya telah dibuka. Penyelidik telah berjaya menunjukkan pandu gelombang rabung ultra-rendah-kerugian dan mikroresonator ultra-tinggi-Q pada platform LNOI [1], menandakan lonjakan ketara dalam fotonik bersepadu.
Kelebihan Utama Teknologi LNOI
- Kehilangan optik ultra-rendah(serendah 0.01 dB/cm)
- Struktur nanofotonik berkualiti tinggi
- Sokongan untuk pelbagai proses optik tak linear
- Kebolehtunaian elektro-optik (EO) bersepadu
Proses Optik Tak Linear pada LNOI
Struktur nanofotonik berprestasi tinggi yang direka pada platform LNOI membolehkan merealisasikan proses optik tak linear utama dengan kecekapan yang luar biasa dan kuasa pam yang minimum. Proses yang ditunjukkan termasuk:
- Generasi Harmonik Kedua (SHG)
- Penjanaan Jumlah Frekuensi (SFG)
- Penjanaan Frekuensi Perbezaan (DFG)
- Parametrik Penukaran Turun (PDC)
- Campuran Empat Gelombang (FWM)
Pelbagai skim pemadanan fasa telah dilaksanakan untuk mengoptimumkan proses ini, menjadikan LNOI sebagai platform optik tak linear yang sangat serba boleh.
Peranti Bersepadu Boleh Ditala Elektrooptik
Teknologi LNOI juga telah membolehkan pembangunan pelbagai peranti fotonik boleh tala aktif dan pasif, seperti:
- Modulator optik berkelajuan tinggi
- PIC pelbagai fungsi boleh dikonfigurasikan semula
- Sikat frekuensi boleh tala
- Mata air mikro-optomekanikal
Peranti ini memanfaatkan sifat EO intrinsik litium niobate untuk mencapai kawalan isyarat cahaya yang tepat dan berkelajuan tinggi.
Aplikasi Praktikal LNOI Photonics
PIC berasaskan LNOI kini diterima pakai dalam semakin banyak aplikasi praktikal, termasuk:
- Penukar gelombang mikro-ke-optik
- Penderia optik
- Spektrometer pada cip
- Sikat frekuensi optik
- Sistem telekomunikasi canggih
Aplikasi ini menunjukkan potensi LNOI untuk memadankan prestasi komponen pukal-optik, sambil menawarkan penyelesaian berskala, cekap tenaga melalui fabrikasi fotolitografi.
Cabaran Semasa dan Hala Tuju Masa Depan
Walaupun kemajuannya yang menjanjikan, teknologi LNOI menghadapi beberapa halangan teknikal:
a) Mengurangkan Lagi Kehilangan Optik
Kehilangan pandu gelombang semasa (0.01 dB/cm) masih dalam susunan 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 Diperbaiki
Mendayakan pandu gelombang sub-700 nm dan jurang gandingan sub-2 μm tanpa mengorbankan kebolehulangan atau meningkatkan kehilangan perambatan adalah penting untuk ketumpatan penyepaduan yang lebih tinggi.
c) Meningkatkan Kecekapan Gandingan
Walaupun gentian tirus dan penukar mod membantu mencapai kecekapan gandingan yang tinggi, salutan anti-pantulan boleh mengurangkan lagi pantulan antara muka bahan udara.
d) Pembangunan Komponen Polarisasi Kerugian Rendah
Peranti fotonik tidak sensitif polarisasi pada LNOI adalah penting, memerlukan komponen yang sepadan dengan prestasi polarizer ruang bebas.
e) Integrasi Elektronik Kawalan
Mengintegrasikan elektronik kawalan berskala besar secara berkesan tanpa merendahkan prestasi optik adalah hala tuju penyelidikan utama.
f) Pemadanan Fasa Lanjutan dan Kejuruteraan Penyerakan
Corak domain yang boleh dipercayai pada resolusi sub-mikron adalah penting untuk optik tak linear tetapi kekal sebagai teknologi yang tidak matang pada platform LNOI.
g) Pampasan untuk Kecacatan Fabrikasi
Teknik untuk mengurangkan peralihan fasa yang disebabkan oleh perubahan persekitaran atau variasi fabrikasi adalah penting untuk penggunaan dunia sebenar.
h) Gandingan Pelbagai Cip yang Cekap
Menangani gandingan yang cekap antara berbilang cip LNOI adalah perlu untuk melangkaui had penyepaduan wafer tunggal.
Integrasi Monolitik Komponen Aktif dan Pasif
Cabaran teras untuk LNOI PICs ialah penyepaduan monolitik kos efektif bagi komponen aktif dan pasif seperti:
- Laser
- Pengesan
- Penukar panjang gelombang bukan linear
- Modulator
- Multiplexer/Demultiplexers
Strategi semasa termasuk:
a) Doping Ion LNOI:
Doping terpilih ion aktif ke kawasan yang ditetapkan boleh membawa kepada sumber cahaya pada cip.
b) Ikatan dan Integrasi Heterogen:
Ikatan PIC LNOI pasif pra-fabrikasi dengan lapisan LNOI terdop atau laser III-V menyediakan laluan alternatif.
c) Pembuatan Wafer LNOI Aktif/Pasif Hibrid:
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, di mana satu proses litografi membolehkan penjajaran lancar dan penyepaduan kedua-dua jenis komponen.
Penyepaduan Pengesan Foto
Mengintegrasikan pengesan foto ke dalam PIC berasaskan LNOI ialah satu lagi langkah penting ke arah sistem berfungsi sepenuhnya. Dua pendekatan utama sedang disiasat:
a) Integrasi Heterogen:
Struktur nano semikonduktor boleh digandingkan secara sementara kepada pandu gelombang LNOI. Walau bagaimanapun, peningkatan dalam kecekapan pengesanan dan skalabiliti masih diperlukan.
b) Penukaran Panjang Gelombang Tak Linear:
Sifat tak linear LN membenarkan penukaran frekuensi dalam pandu gelombang, membolehkan penggunaan pengesan foto silikon standard tanpa mengira panjang gelombang operasi.
Kesimpulan
Kemajuan pesat teknologi LNOI membawa industri lebih dekat kepada platform PIC universal yang mampu melayani pelbagai aplikasi. Dengan menangani cabaran sedia ada dan memajukan 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 lama PIC boleh skala, memadankan kejayaan dan impak EIC. Usaha R&D yang berterusan—seperti daripada Platform Proses Fotonik Nanjing dan Platform Reka Bentuk XiaoyaoTech—akan menjadi penting dalam membentuk masa depan fotonik bersepadu dan membuka kunci kemungkinan baharu merentas domain teknologi.
Masa siaran: Jul-18-2025