ลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI): ขับเคลื่อนความก้าวหน้าของวงจรรวมโฟโตนิกส์

การแนะนำ

ด้วยแรงบันดาลใจจากความสำเร็จของวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์ (EIC) วงการวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC) จึงได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่เริ่มก่อตั้งในปี พ.ศ. 2512 อย่างไรก็ตาม ต่างจาก EIC ตรงที่การพัฒนาแพลตฟอร์มสากลที่สามารถรองรับการใช้งานโฟโตนิกส์ที่หลากหลายยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ บทความนี้จะสำรวจเทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI) ที่กำลังเกิดขึ้น ซึ่งกำลังกลายเป็นโซลูชันที่มีแนวโน้มดีสำหรับ PIC รุ่นต่อไปอย่างรวดเร็ว

การเพิ่มขึ้นของเทคโนโลยี LNOI

ลิเธียมไนโอเบต (LN) ได้รับการยอมรับมานานแล้วว่าเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการใช้งานด้านโฟโตนิกส์ อย่างไรก็ตาม ศักยภาพสูงสุดของลิเธียมไนโอเบตจึงถูกปลดล็อกได้ก็ต่อเมื่อมีการคิดค้น LNOI แบบฟิล์มบางและเทคนิคการผลิตขั้นสูง นักวิจัยได้สาธิตท่อนำคลื่นแบบสันที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษและไมโครเรโซเนเตอร์ที่มีค่า Q สูงเป็นพิเศษบนแพลตฟอร์ม LNOI [1] ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาโฟโตนิกส์แบบบูรณาการ

ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยี LNOI

• การสูญเสียแสงต่ำเป็นพิเศษ(ต่ำถึง 0.01 dB/cm)
• โครงสร้างนาโนโฟตอนิกคุณภาพสูง
• รองรับกระบวนการออปติกแบบไม่เชิงเส้นที่หลากหลาย
• ความสามารถในการปรับแต่งอิเล็กโทรออปติก (EO) แบบบูรณาการ

กระบวนการออปติกแบบไม่เชิงเส้นบน LNOI

โครงสร้างนาโนโฟตอนิกส์ประสิทธิภาพสูงที่สร้างขึ้นบนแพลตฟอร์ม LNOI ช่วยให้สามารถบรรลุกระบวนการออปติคัลแบบไม่เชิงเส้นที่สำคัญได้อย่างมีประสิทธิภาพโดดเด่นและกำลังปั๊มที่น้อยที่สุด กระบวนการที่สาธิตประกอบด้วย:

• การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (SHG)
• การสร้างความถี่ผลรวม (SFG)
• การสร้างความถี่ที่แตกต่างกัน (DFG)
• การแปลงค่าพารามิเตอร์ลง (PDC)
• การผสมสี่คลื่น (FWM)

มีการนำแผนการจับคู่เฟสต่างๆ มาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเหล่านี้ ซึ่งทำให้ LNOI เป็นแพลตฟอร์มออปติกแบบไม่เชิงเส้นที่มีความอเนกประสงค์สูง

อุปกรณ์รวมที่ปรับแต่งได้ทางแสงไฟฟ้า

เทคโนโลยี LNOI ยังช่วยให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์โฟตอนิกส์แบบปรับได้ทั้งแบบแอ็คทีฟและพาสซีฟได้หลากหลาย เช่น:

• ตัวปรับแสงแบบออปติคอลความเร็วสูง
• PIC มัลติฟังก์ชันที่กำหนดค่าใหม่ได้
• หวีความถี่ที่ปรับได้
• สปริงไมโครออปโตเมคานิคส์

อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติ EO ที่แท้จริงของลิเธียมไนโอเบตเพื่อให้สามารถควบคุมสัญญาณแสงได้อย่างแม่นยำและความเร็วสูง

การประยุกต์ใช้งานจริงของ LNOI Photonics

ปัจจุบัน PIC ที่ใช้ LNOI กำลังได้รับการนำมาใช้ในแอปพลิเคชันจริงที่เพิ่มมากขึ้น เช่น:

• ตัวแปลงไมโครเวฟเป็นออปติคัล
• เซ็นเซอร์ออปติคัล
• เครื่องสเปกโตรมิเตอร์แบบออนชิป
• หวีความถี่แสง
• ระบบโทรคมนาคมขั้นสูง

แอปพลิเคชันเหล่านี้แสดงให้เห็นศักยภาพของ LNOI ในการจับคู่กับประสิทธิภาพของส่วนประกอบออปติกจำนวนมาก ในขณะเดียวกันก็เสนอโซลูชันที่ประหยัดพลังงานและปรับขนาดได้ผ่านการผลิตด้วยเทคนิคโฟโตลิโทกราฟี

ความท้าทายในปัจจุบันและทิศทางในอนาคต

แม้ว่าเทคโนโลยี LNOI จะมีความก้าวหน้าที่น่าประทับใจ แต่กลับต้องเผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิคหลายประการ:

ก) ลดการสูญเสียแสงเพิ่มเติม
การสูญเสียของท่อนำคลื่นในปัจจุบัน (0.01 เดซิเบล/ซม.) ยังคงสูงกว่าขีดจำกัดการดูดซับของวัสดุอยู่หนึ่งลำดับความสำคัญ จำเป็นต้องมีความก้าวหน้าในเทคนิคการตัดไอออนและการผลิตระดับนาโนเพื่อลดความหยาบของพื้นผิวและข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับ

ข) การควบคุมรูปทรงท่อนำคลื่นที่ได้รับการปรับปรุง
การเปิดใช้งานท่อนำคลื่นย่อย 700 นาโนเมตรและช่องว่างการเชื่อมต่อย่อย 2 ไมโครเมตรโดยไม่เสียสละความสามารถในการทำซ้ำหรือการสูญเสียการแพร่กระจายที่เพิ่มขึ้นถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความหนาแน่นของการบูรณาการที่สูงขึ้น

ค) การเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ
ในขณะที่เส้นใยเรียวและตัวแปลงโหมดช่วยให้บรรลุประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง การเคลือบป้องกันการสะท้อนสามารถลดการสะท้อนของอินเทอร์เฟซอากาศและวัสดุได้อีกด้วย

ง) การพัฒนาส่วนประกอบโพลาไรเซชันการสูญเสียต่ำ
อุปกรณ์โฟตอนิกที่ไม่ไวต่อโพลาไรเซชันบน LNOI ถือเป็นสิ่งจำเป็น โดยต้องใช้ส่วนประกอบที่ตรงกับประสิทธิภาพของโพลาไรเซอร์ในพื้นที่ว่าง

e) การบูรณาการระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์
การบูรณาการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพทางแสงลดลงถือเป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญ

f) วิศวกรรมการจับคู่เฟสขั้นสูงและการกระจาย
การสร้างรูปแบบโดเมนที่เชื่อถือได้ในความละเอียดระดับย่อยไมครอนมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับออปติกแบบไม่เชิงเส้น แต่ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่พัฒนาเต็มที่บนแพลตฟอร์ม LNOI

ก) การชดเชยข้อบกพร่องในการผลิต
เทคนิคในการบรรเทาการเลื่อนเฟสที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมหรือความแปรปรวนในการผลิตถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง

h) การเชื่อมต่อชิปหลายตัวที่มีประสิทธิภาพ
การจัดการการเชื่อมโยงที่มีประสิทธิภาพระหว่างชิป LNOI หลายตัวเป็นสิ่งจำเป็นในการปรับขนาดให้เกินขีดจำกัดการรวมเวเฟอร์ตัวเดียว

การบูรณาการแบบโมโนลิธิกของส่วนประกอบแบบแอ็คทีฟและแบบพาสซีฟ

ความท้าทายหลักสำหรับ LNOI PICs คือการผสานรวมส่วนประกอบแบบแอ็คทีฟและแบบพาสซีฟที่คุ้มต้นทุน เช่น:

• เลเซอร์
• เครื่องตรวจจับ
• ตัวแปลงความยาวคลื่นแบบไม่เชิงเส้น
• ตัวปรับเปลี่ยน
• มัลติเพล็กเซอร์/ดีมัลติเพล็กเซอร์

กลยุทธ์ปัจจุบันมีดังนี้:

ก) การเจือปนไอออนของ LNOI:
การเจือปนไอออนที่ทำงานอยู่เฉพาะในบริเวณที่กำหนดสามารถนำไปสู่แหล่งกำเนิดแสงบนชิปได้

ข) การเชื่อมโยงและการบูรณาการที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน:
การเชื่อม LNOI PICs แบบพาสซีฟที่ผลิตล่วงหน้ากับชั้น LNOI ที่เจือปนหรือเลเซอร์ III-V ถือเป็นทางเลือกอื่น

c) การผลิตเวเฟอร์ LNOI แบบไฮบริดแอคทีฟ/พาสซีฟ:
แนวทางใหม่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมเวเฟอร์ LN ที่มีการเจือและไม่มีการเจือก่อนการตัดไอออน ส่งผลให้เวเฟอร์ LNOI มีบริเวณทั้งที่ทำงานอยู่และแบบพาสซีฟ

รูปที่ 1แสดงให้เห็นแนวคิดของ PIC แบบไฮบริดที่ผสานการทำงานแบบแอคทีฟ/พาสซีฟ โดยที่กระบวนการลิโธกราฟีเพียงกระบวนการเดียวทำให้สามารถจัดตำแหน่งและผสานส่วนประกอบทั้งสองประเภทได้อย่างราบรื่น

การบูรณาการของเครื่องตรวจจับภาพ

การรวมเครื่องตรวจจับแสงเข้ากับ PICs ที่ใช้ LNOI ถือเป็นอีกก้าวสำคัญสู่ระบบที่ทำงานได้เต็มรูปแบบ ขณะนี้กำลังศึกษาแนวทางหลักสองประการ ได้แก่

ก) การบูรณาการที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน:
โครงสร้างนาโนของสารกึ่งตัวนำสามารถเชื่อมต่อชั่วคราวกับท่อนำคลื่น LNOI ได้ อย่างไรก็ตาม ยังคงต้องมีการปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับและความสามารถในการปรับขนาด

ข) การแปลงความยาวคลื่นแบบไม่เชิงเส้น:
คุณสมบัติที่ไม่เป็นเชิงเส้นของ LN ช่วยให้สามารถแปลงความถี่ภายในท่อนำคลื่นได้ ทำให้สามารถใช้เครื่องตรวจจับโฟโตซิลิกอนมาตรฐานได้โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่นในการทำงาน

บทสรุป

ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี LNOI ทำให้อุตสาหกรรมเข้าใกล้แพลตฟอร์ม PIC สากลที่สามารถรองรับการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น ด้วยการรับมือกับความท้าทายที่มีอยู่และผลักดันนวัตกรรมด้านการผสานรวมแบบโมโนลิธิกและแบบตรวจจับ PIC ที่ใช้ LNOI มีศักยภาพที่จะปฏิวัติวงการต่างๆ เช่น โทรคมนาคม ข้อมูลควอนตัม และการตรวจจับ

LNOI มุ่งมั่นที่จะบรรลุวิสัยทัศน์อันยาวนานของ PICs ที่ปรับขนาดได้ ซึ่งสอดคล้องกับความสำเร็จและผลกระทบของ EIC ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เช่น แพลตฟอร์มกระบวนการโฟโตนิกส์หนานจิง และแพลตฟอร์มการออกแบบเสี่ยวเหยาเทค จะเป็นแกนหลักในการกำหนดอนาคตของโฟโตนิกส์แบบบูรณาการ และปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในทุกสาขาเทคโนโลยี