ลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI): ผลักดันความก้าวหน้าของวงจรรวมโฟตอนิกส์

การแนะนำ

ด้วยแรงบันดาลใจจากความสำเร็จของวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์ (EICs) ทำให้สาขาวงจรรวมโฟตอนิกส์ (PICs) พัฒนาขึ้นอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่เริ่มต้นในปี 1969 อย่างไรก็ตาม ต่างจาก EICs การพัฒนาแพลตฟอร์มสากลที่สามารถรองรับการใช้งานโฟตอนิกส์ที่หลากหลายยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ บทความนี้จะสำรวจเทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI) ที่กำลังเกิดขึ้นใหม่และกลายเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับ PICs รุ่นต่อไปอย่างรวดเร็ว

การเติบโตของเทคโนโลยี LNOI

ลิเธียมไนโอเบต (LN) ได้รับการยอมรับมานานแล้วว่าเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการใช้งานด้านโฟโตนิกส์ อย่างไรก็ตาม ศักยภาพเต็มรูปแบบของวัสดุนี้เพิ่งถูกปลดล็อกได้ก็ต่อเมื่อมีการพัฒนาฟิล์มบาง LNOI และเทคนิคการผลิตขั้นสูงเท่านั้น นักวิจัยได้สาธิตให้เห็นถึงท่อนำคลื่นแบบสันที่มีการสูญเสียต่ำมากและไมโครเรโซเนเตอร์ที่มีค่า Q สูงมากบนแพลตฟอร์ม LNOI [1] ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในด้านโฟโตนิกส์แบบบูรณาการ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยี LNOI

• การสูญเสียทางแสงต่ำมาก(ต่ำสุดที่ 0.01 dB/cm)
• โครงสร้างนาโนโฟโตนิกส์คุณภาพสูง
• การสนับสนุนกระบวนการทางแสงแบบไม่เชิงเส้นที่หลากหลาย
• การปรับแต่งด้วยระบบอิเล็กโทรออปติก (EO) แบบบูรณาการ

กระบวนการทางแสงแบบไม่เชิงเส้นบน LNOI

โครงสร้างนาโนโฟโตนิกส์ประสิทธิภาพสูงที่ผลิตบนแพลตฟอร์ม LNOI ช่วยให้สามารถสร้างกระบวนการทางแสงแบบไม่เชิงเส้นที่สำคัญได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานปั๊มน้อยที่สุด กระบวนการที่แสดงให้เห็นแล้ว ได้แก่:

• การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (SHG)
• การสร้างความถี่รวม (SFG)
• การสร้างความถี่ต่าง (DFG)
• การแปลงค่าพารามิเตอร์ลง (PDC)
• การผสมคลื่นสี่คลื่น (FWM)

มีการนำวิธีการจับคู่เฟสต่างๆ มาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเหล่านี้ ทำให้ LNOI กลายเป็นแพลตฟอร์มทางแสงแบบไม่เชิงเส้นที่มีความหลากหลายสูง

อุปกรณ์รวมที่ปรับแต่งได้ด้วยระบบอิเล็กโทรออปติก

เทคโนโลยี LNOI ยังช่วยให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์โฟโตนิกส์แบบปรับได้ทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟได้หลากหลายประเภท เช่น:

• ตัวปรับสัญญาณแสงความเร็วสูง
• PIC อเนกประสงค์ที่ปรับเปลี่ยนการทำงานได้
• หวีความถี่ที่ปรับได้
• สปริงไมโครออปโตเมคานิกส์

อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางอิเล็กโทรออปติกโดยธรรมชาติของลิเธียมไนโอเบต เพื่อให้สามารถควบคุมสัญญาณแสงได้อย่างแม่นยำและรวดเร็ว

การประยุกต์ใช้งานจริงของโฟโตนิกส์ LNOI

ปัจจุบัน PIC ที่ใช้ LNOI กำลังถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันเชิงปฏิบัติมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งรวมถึง:

• ตัวแปลงไมโครเวฟเป็นแสง
• เซ็นเซอร์แสง
• สเปกโทรเมตรแบบฝังในชิป
• หวีความถี่แสง
• ระบบโทรคมนาคมขั้นสูง

แอปพลิเคชันเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของ LNOI ในการเทียบเท่าประสิทธิภาพของส่วนประกอบออปติกแบบดั้งเดิม ในขณะเดียวกันก็มอบโซลูชันที่ปรับขนาดได้และประหยัดพลังงานผ่านกระบวนการผลิตด้วยโฟโตลิโทกราฟี

ความท้าทายในปัจจุบันและทิศทางในอนาคต

แม้ว่าเทคโนโลยี LNOI จะมีความก้าวหน้าไปในทิศทางที่ดี แต่ก็ยังเผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิคหลายประการ:

ก) ลดการสูญเสียทางแสงลงอีก
การสูญเสียคลื่นนำแสงในปัจจุบัน (0.01 dB/cm) ยังคงสูงกว่าขีดจำกัดการดูดซับของวัสดุถึงหนึ่งอันดับ การพัฒนาเทคนิคการตัดด้วยไอออนและการผลิตระดับนาโนจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดความหยาบของพื้นผิวและข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับ

ข) การควบคุมรูปทรงเรขาคณิตของท่อนำคลื่นที่ดีขึ้น
การสร้างท่อนำคลื่นที่มีขนาดต่ำกว่า 700 นาโนเมตร และช่องว่างการเชื่อมต่อที่มีขนาดต่ำกว่า 2 ไมโครเมตร โดยไม่ลดทอนความสามารถในการทำซ้ำหรือเพิ่มการสูญเสียการแพร่กระจาย ถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับความหนาแน่นของการรวมวงจรที่สูงขึ้น

ค) การเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ
แม้ว่าเส้นใยเรียวและตัวแปลงโหมดจะช่วยให้ได้ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง แต่สารเคลือบป้องกันการสะท้อนยังสามารถลดการสะท้อนที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับวัสดุได้อีกด้วย

d) การพัฒนาส่วนประกอบโพลาไรเซชันที่มีการสูญเสียต่ำ
อุปกรณ์โฟตอนิกที่ไม่ไวต่อการโพลาไรเซชันบน LNOI เป็นสิ่งจำเป็น โดยต้องใช้ส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับตัวกรองโพลาไรซ์ในพื้นที่ว่าง

e) การบูรณาการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุม
การบูรณาการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพทางแสงลดลง ถือเป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญ

ฉ) การจับคู่เฟสขั้นสูงและการออกแบบการกระจายตัว
การสร้างรูปแบบโดเมนที่เชื่อถือได้ด้วยความละเอียดระดับต่ำกว่าไมครอนมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้น แต่ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่สมบูรณ์บนแพลตฟอร์ม LNOI

g) การชดเชยความเสียหายจากข้อบกพร่องในการผลิต
เทคนิคในการลดการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมหรือความแปรปรวนในการผลิตนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการนำไปใช้งานจริง

h) การเชื่อมต่อชิปหลายตัวที่มีประสิทธิภาพ
การแก้ไขปัญหาการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพระหว่างชิป LNOI หลายตัวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการขยายขอบเขตไปไกลกว่าข้อจำกัดของการรวมระบบบนเวเฟอร์เดียว

การผสานรวมส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟเข้าด้วยกันอย่างลงตัว

ความท้าทายหลักสำหรับ PIC ของ LNOI คือการบูรณาการส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟเข้าด้วยกันอย่างคุ้มค่า เช่น:

• เลเซอร์
• เครื่องตรวจจับ
• ตัวแปลงความยาวคลื่นแบบไม่เชิงเส้น
• ตัวปรับสัญญาณ
• มัลติเพล็กเซอร์/ดีมัลติเพล็กเซอร์

กลยุทธ์ในปัจจุบันประกอบด้วย:

ก) การเติมไอออนลงใน LNOI:
การเติมไอออนที่ออกฤทธิ์ลงในบริเวณที่กำหนดอย่างเลือกสรร สามารถนำไปสู่การสร้างแหล่งกำเนิดแสงบนชิปได้

ข) การเชื่อมต่อและการบูรณาการแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน:
การเชื่อมต่อ PIC แบบพาสซีฟ LNOI ที่ผลิตสำเร็จรูปเข้ากับชั้น LNOI ที่เจือสารหรือเลเซอร์ III-V เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

ค) การผลิตเวเฟอร์ LNOI แบบไฮบริดแอคทีฟ/พาสซีฟ:
แนวทางใหม่นี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมแผ่นเวเฟอร์ LN ที่เจือสารและไม่เจือสารเข้าด้วยกันก่อนการตัดด้วยไอออน ส่งผลให้ได้แผ่นเวเฟอร์ LNOI ที่มีทั้งบริเวณแอคทีฟและพาสซีฟ

รูปที่ 1ภาพนี้แสดงให้เห็นถึงแนวคิดของ PIC แบบไฮบริดที่รวมส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟเข้าด้วยกัน โดยกระบวนการพิมพ์หินเพียงครั้งเดียวช่วยให้สามารถจัดวางและผสานรวมส่วนประกอบทั้งสองประเภทได้อย่างราบรื่น

การบูรณาการโฟโตดีเทคเตอร์

การบูรณาการโฟโตดีเทคเตอร์เข้ากับ PIC ที่ใช้ LNOI เป็นอีกก้าวสำคัญสู่ระบบที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์ ขณะนี้กำลังมีการศึกษาแนวทางหลักสองแนวทาง ได้แก่:

ก) การบูรณาการแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน:
โครงสร้างนาโนเซมิคอนดักเตอร์สามารถเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่น LNOI ได้ชั่วคราว อย่างไรก็ตาม ยังคงต้องการการปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับและความสามารถในการขยายขนาดต่อไป

ข) การแปลงความยาวคลื่นแบบไม่เชิงเส้น:
คุณสมบัติที่ไม่เป็นเชิงเส้นของ LN ช่วยให้สามารถแปลงความถี่ภายในท่อนำคลื่นได้ ทำให้สามารถใช้โฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนมาตรฐานได้โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่นในการทำงาน

บทสรุป

ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี LNOI ทำให้ภาคอุตสาหกรรมเข้าใกล้แพลตฟอร์ม PIC สากลที่สามารถรองรับการใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น ด้วยการแก้ไขปัญหาที่มีอยู่และผลักดันนวัตกรรมในการรวมวงจรแบบโมโนลิธิกและตัวตรวจจับ PIC ที่ใช้ LNOI มีศักยภาพที่จะปฏิวัติวงการต่างๆ เช่น โทรคมนาคม ข้อมูลควอนตัม และการตรวจจับ

LNOI มีศักยภาพที่จะเติมเต็มวิสัยทัศน์ระยะยาวของ PIC ที่ปรับขนาดได้ เทียบเท่ากับความสำเร็จและผลกระทบของ EIC ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เช่น จากแพลตฟอร์มกระบวนการผลิตโฟโตนิกส์หนานจิงและแพลตฟอร์มการออกแบบของ XiaoyaoTech จะเป็นกุญแจสำคัญในการกำหนดอนาคตของโฟโตนิกส์แบบบูรณาการและปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในหลากหลายสาขาเทคโนโลยี