ລິທຽມໄນໂອເບດໃນສະນວນກັນໄຟຟ້າ (LNOI): ຂັບເຄື່ອນຄວາມກ້າວໜ້າຂອງວົງຈອນປະສົມປະສານໂຟໂຕນິກ

ບົດນຳ

ໂດຍໄດ້ຮັບແຮງບັນດານໃຈຈາກຄວາມສຳເລັດຂອງວົງຈອນປະສົມປະສານເອເລັກໂຕຣນິກ (EICs), ຂົງເຂດຂອງວົງຈອນປະສົມປະສານໂຟໂຕນິກ (PICs) ໄດ້ພັດທະນາມາຕັ້ງແຕ່ເລີ່ມຕົ້ນໃນປີ 1969. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ບໍ່ເຫມືອນກັບ EICs, ການພັດທະນາແພລດຟອມສາກົນທີ່ມີຄວາມສາມາດໃນການຮອງຮັບການນຳໃຊ້ໂຟໂຕນິກທີ່ຫຼາກຫຼາຍຍັງຄົງເປັນສິ່ງທ້າທາຍອັນໃຫຍ່ຫຼວງ. ບົດຄວາມນີ້ສຳຫຼວດເຕັກໂນໂລຊີ Lithium Niobate on Insulator (LNOI) ທີ່ເກີດຂຶ້ນໃໝ່, ເຊິ່ງໄດ້ກາຍເປັນວິທີແກ້ໄຂທີ່ມີຄວາມຫວັງຢ່າງໄວວາສຳລັບ PICs ລຸ້ນຕໍ່ໄປ.

ການເພີ່ມຂຶ້ນຂອງເທັກໂນໂລຢີ LNOI

ລີທຽມໄນໂອເບດ (LN) ໄດ້ຮັບການຍອມຮັບມາດົນແລ້ວວ່າເປັນວັດສະດຸຫຼັກສຳລັບການນຳໃຊ້ໂຟໂຕນິກ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ພຽງແຕ່ດ້ວຍການມາເຖິງຂອງ LNOI ແບບຟິມບາງ ແລະ ເຕັກນິກການຜະລິດທີ່ກ້າວໜ້າເທົ່ານັ້ນທີ່ທ່າແຮງຂອງມັນໄດ້ຖືກປົດລັອກ. ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ສາທິດໃຫ້ເຫັນຢ່າງສຳເລັດຜົນກ່ຽວກັບຄື້ນນຳທາງສັນຫຼັງທີ່ມີການສູນເສຍຕ່ຳຫຼາຍ ແລະ ເຄື່ອງສະທ້ອນແສງຂະໜາດນ້ອຍ Q ສູງຫຼາຍໃນເວທີ LNOI [1], ເຊິ່ງເປັນການກ້າວກະໂດດທີ່ສຳຄັນໃນໂຟໂຕນິກປະສົມປະສານ.

ຂໍ້ໄດ້ປຽບຫຼັກຂອງເທັກໂນໂລຢີ LNOI

• ການສູນເສຍທາງ optical ຕໍ່າຫຼາຍ(ຕໍ່າສຸດ 0.01 dB/ຊມ)
• ໂຄງສ້າງນາໂນໂຟໂຕນິກທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງ
• ສະຫນັບສະຫນູນຂະບວນການທາງ optical ທີ່ບໍ່ແມ່ນເສັ້ນຊື່ທີ່ຫຼາກຫຼາຍ
• ຄວາມສາມາດໃນການປັບແຕ່ງໄຟຟ້າແສງ (EO) ປະສົມປະສານ

ຂະບວນການທາງແສງທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່ໃນ LNOI

ໂຄງສ້າງນາໂນໂຟໂຕນິກປະສິດທິພາບສູງທີ່ຜະລິດຢູ່ໃນເວທີ LNOI ຊ່ວຍໃຫ້ສາມາດຮັບຮູ້ຂະບວນການທາງແສງທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່ທີ່ສຳຄັນດ້ວຍປະສິດທິພາບທີ່ໂດດເດັ່ນ ແລະ ພະລັງງານປ້ຳໜ້ອຍທີ່ສຸດ. ຂະບວນການທີ່ສະແດງໃຫ້ເຫັນລວມມີ:

• ການສ້າງຮາໂມນິກທີສອງ (SHG)
• ການສ້າງຄວາມຖີ່ລວມ (SFG)
• ການສ້າງຄວາມຖີ່ຄວາມແຕກຕ່າງ (DFG)
• ການປ່ຽນລົງຂອງພາລາມິເຕີ (PDC)
• ການປະສົມສີ່ຄື້ນ (FWM)

ໂຄງການຈັບຄູ່ໄລຍະຕ່າງໆໄດ້ຖືກຈັດຕັ້ງປະຕິບັດເພື່ອເພີ່ມປະສິດທິພາບຂອງຂະບວນການເຫຼົ່ານີ້, ໂດຍສ້າງຕັ້ງ LNOI ເປັນແພລະຕະຟອມແສງທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນທີ່ມີຄວາມຄ່ອງແຄ້ວສູງ.

ອຸປະກອນປະສົມປະສານທີ່ສາມາດປັບໄດ້ດ້ວຍໄຟຟ້າທາງແສງ

ເຕັກໂນໂລຊີ LNOI ຍັງໄດ້ເຮັດໃຫ້ການພັດທະນາອຸປະກອນໂຟໂຕນິກທີ່ສາມາດປັບໄດ້ທັງແບບເຄື່ອນໄຫວ ແລະ ແບບ passive ຫຼາກຫຼາຍຊະນິດ, ເຊັ່ນ:

• ຕົວດັດແປງແສງຄວາມໄວສູງ
• PICs ຫຼາຍໜ້າທີ່ທີ່ສາມາດຕັ້ງຄ່າໄດ້ຄືນໃໝ່
• ຫວີຄວາມຖີ່ທີ່ສາມາດປັບໄດ້
• ສະປິງແບບຈຸນລະພາກ

ອຸປະກອນເຫຼົ່ານີ້ໃຊ້ປະໂຫຍດຈາກຄຸນສົມບັດ EO ພາຍໃນຂອງ lithium niobate ເພື່ອໃຫ້ສາມາດຄວບຄຸມສັນຍານແສງໄດ້ຢ່າງຊັດເຈນ ແລະ ຄວາມໄວສູງ.

ການນຳໃຊ້ຕົວຈິງຂອງໂຟໂຕນິກ LNOI

PICs ທີ່ອີງໃສ່ LNOI ປະຈຸບັນກຳລັງຖືກນຳໃຊ້ໃນການນຳໃຊ້ຕົວຈິງທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນເລື້ອຍໆ, ລວມທັງ:

• ຕົວແປງໄມໂຄເວຟເປັນແສງ
• ເຊັນເຊີແສງ
• ເຄື່ອງວັດແທກສະເປັກໂຕຣມິເຕີໃນຊິບ
• ຫວີຄວາມຖີ່ແສງ
• ລະບົບໂທລະຄົມມະນາຄົມທີ່ກ້າວໜ້າ

ແອັບພລິເຄຊັນເຫຼົ່ານີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງທ່າແຮງຂອງ LNOI ໃນການຈັບຄູ່ກັບປະສິດທິພາບຂອງອົງປະກອບທາງແສງຂະໜາດໃຫຍ່, ໃນຂະນະທີ່ສະເໜີວິທີແກ້ໄຂທີ່ສາມາດຂະຫຍາຍໄດ້ ແລະ ມີປະສິດທິພາບດ້ານພະລັງງານຜ່ານການຜະລິດການພິມດ້ວຍແສງ.

ສິ່ງທ້າທາຍໃນປະຈຸບັນ ແລະ ທິດທາງໃນອະນາຄົດ

ເຖິງວ່າຈະມີຄວາມຄືບໜ້າທີ່ດີ, ເຕັກໂນໂລຊີ LNOI ຍັງປະເຊີນກັບອຸປະສັກທາງດ້ານເຕັກນິກຫຼາຍຢ່າງຄື:

ກ) ການຫຼຸດຜ່ອນການສູນເສຍທາງດ້ານສາຍຕາຕື່ມອີກ
ການສູນເສຍຄື້ນນຳທາງໃນປະຈຸບັນ (0.01 dB/cm) ຍັງສູງກວ່າຂີດຈຳກັດການດູດຊຶມວັດສະດຸໃນລະດັບຄວາມກວ້າງ. ຄວາມກ້າວໜ້າໃນເຕັກນິກການຕັດໄອອອນ ແລະ ການຜະລິດແບບນາໂນແມ່ນມີຄວາມຈຳເປັນເພື່ອຫຼຸດຜ່ອນຄວາມຫຍາບຂອງພື້ນຜິວ ແລະ ຂໍ້ບົກຜ່ອງທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບການດູດຊຶມ.

ຂ) ການຄວບຄຸມຮູບຮ່າງຂອງຄື້ນນຳທາງທີ່ດີຂຶ້ນ
ການເປີດໃຊ້ງານຄື້ນນຳທາງຕ່ຳກວ່າ 700 nm ແລະ ຊ່ອງຫວ່າງການເຊື່ອມຕໍ່ຕ່ຳກວ່າ 2 μm ໂດຍບໍ່ຕ້ອງເສຍສະລະຄວາມສາມາດໃນການເຮັດຊ້ຳ ຫຼື ເພີ່ມການສູນເສຍການຂະຫຍາຍພັນແມ່ນມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍຕໍ່ຄວາມໜາແໜ້ນຂອງການເຊື່ອມໂຍງທີ່ສູງຂຶ້ນ.

ຄ) ເພີ່ມປະສິດທິພາບການເຊື່ອມຕໍ່
ໃນຂະນະທີ່ເສັ້ນໄຍຮູບຈວຍ ແລະ ຕົວແປງໂໝດຊ່ວຍໃຫ້ປະສິດທິພາບການເຊື່ອມຕໍ່ສູງ, ການເຄືອບຕ້ານການສະທ້ອນສາມາດຫຼຸດຜ່ອນການສະທ້ອນຂອງໜ້າຕ່າງລະຫວ່າງອາກາດ ແລະ ວັດສະດຸໄດ້ຕື່ມອີກ.

ງ) ການພັດທະນາອົງປະກອບໂພລາໄລເຊຊັນທີ່ມີການສູນເສຍຕໍ່າ
ອຸປະກອນໂຟໂຕນິກທີ່ບໍ່ຕອບສະໜອງຕໍ່ໂພລາໄຣເຊຊັນໃນ LNOI ແມ່ນມີຄວາມຈຳເປັນ, ເຊິ່ງຕ້ອງການອົງປະກອບທີ່ກົງກັບປະສິດທິພາບຂອງໂພລາໄຣເຊີແບບຊ່ອງວ່າງ.

ຈ) ການເຊື່ອມໂຍງຂອງເອເລັກໂຕຣນິກຄວບຄຸມ
ການເຊື່ອມໂຍງເອເລັກໂຕຣນິກຄວບຄຸມຂະໜາດໃຫຍ່ຢ່າງມີປະສິດທິພາບໂດຍບໍ່ມີການຫຼຸດຜ່ອນປະສິດທິພາບທາງດ້ານແສງແມ່ນທິດທາງການຄົ້ນຄວ້າທີ່ສຳຄັນ.

f) ວິສະວະກຳການຈັບຄູ່ໄລຍະຂັ້ນສູງ ແລະ ການກະຈາຍຕົວ
ຮູບແບບໂດເມນທີ່ໜ້າເຊື່ອຖືໄດ້ທີ່ຄວາມລະອຽດຂອງ sub-micron ແມ່ນມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍສຳລັບ optics ທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນ ແຕ່ຍັງຄົງເປັນເທັກໂນໂລຢີທີ່ຍັງບໍ່ທັນພັດທະນາໃນເວທີ LNOI.

ຊ) ການຊົດເຊີຍສຳລັບຂໍ້ບົກຜ່ອງໃນການຜະລິດ
ເຕັກນິກເພື່ອຫຼຸດຜ່ອນການປ່ຽນແປງໄລຍະທີ່ເກີດຈາກການປ່ຽນແປງຂອງສິ່ງແວດລ້ອມ ຫຼື ຄວາມແຕກຕ່າງຂອງການຜະລິດແມ່ນສິ່ງຈຳເປັນສຳລັບການນຳໃຊ້ໃນໂລກຕົວຈິງ.

h) ການເຊື່ອມຕໍ່ຫຼາຍຊິບທີ່ມີປະສິດທິພາບ
ການແກ້ໄຂການເຊື່ອມຕໍ່ທີ່ມີປະສິດທິພາບລະຫວ່າງຊິບ LNOI ຫຼາຍອັນແມ່ນມີຄວາມຈຳເປັນເພື່ອຂະຫຍາຍອອກໄປນອກເໜືອຈາກຂໍ້ຈຳກັດການເຊື່ອມໂຍງແຜ່ນດຽວ.

ການເຊື່ອມໂຍງແບບ Monolithic ຂອງອົງປະກອບທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ ແລະ ແບບ passive

ສິ່ງທ້າທາຍຫຼັກສຳລັບ LNOI PICs ແມ່ນການເຊື່ອມໂຍງແບບ monolithic ທີ່ມີປະສິດທິພາບດ້ານຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງອົງປະກອບທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ ແລະ passive ເຊັ່ນ:

• ເລເຊີ
• ເຄື່ອງກວດຈັບ
• ຕົວແປງຄວາມຍາວຄື້ນທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່
• ຕົວປັບ
• ເຄື່ອງມັນຕິເພລັກເຊີ/ເຄື່ອງດີມັລຕິເພລັກເຊີ

ຍຸດທະສາດໃນປະຈຸບັນລວມມີ:

ກ) ການໂດບໄອອອນຂອງ LNOI:
ການໂດບໄອອອນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວເຂົ້າໄປໃນພາກພື້ນທີ່ກຳນົດໄວ້ສາມາດນຳໄປສູ່ແຫຼ່ງແສງສະຫວ່າງໃນຊິບ.

ຂ) ການຜູກມັດ ແລະ ການເຊື່ອມໂຍງທີ່ບໍ່ເປັນເອກະພາບ:
ການເຊື່ອມ LNOI PICs ແບບ passive ທີ່ຜະລິດໄວ້ກ່ອນແລ້ວກັບຊັ້ນ LNOI ທີ່ມີສານເສີມ ຫຼື ເລເຊີ III-V ສະໜອງເສັ້ນທາງທາງເລືອກອື່ນ.

ຄ) ການຜະລິດເວເຟີ LNOI ແບບປະສົມປະສານແບບ Active/Passive:
ວິທີການທີ່ມີນະວັດຕະກໍາກ່ຽວຂ້ອງກັບການຜູກມັດເວເຟີ LN ທີ່ມີການເສີມ ແລະ ບໍ່ມີການເພີ່ມກ່ອນການຊອຍໄອອອນ, ເຊິ່ງສົ່ງຜົນໃຫ້ເວເຟີ LNOI ມີທັງພາກພື້ນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ ແລະ ບໍ່ເຄື່ອນໄຫວ.

ຮູບທີ 1ສະແດງໃຫ້ເຫັນແນວຄວາມຄິດຂອງ PICs ທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ/ແບບ passive ແບບປະສົມປະສານ, ບ່ອນທີ່ຂະບວນການ lithographic ດຽວຊ່ວຍໃຫ້ການຈັດລຽງ ແລະ ການເຊື່ອມໂຍງອົງປະກອບທັງສອງປະເພດໄດ້ຢ່າງລຽບງ່າຍ.

ການເຊື່ອມໂຍງຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ

ການປະສົມປະສານເຄື່ອງກວດຈັບແສງເຂົ້າໃນ PIC ທີ່ອີງໃສ່ LNOI ແມ່ນອີກບາດກ້າວໜຶ່ງທີ່ສຳຄັນໄປສູ່ລະບົບທີ່ເຮັດວຽກໄດ້ຢ່າງຄົບຖ້ວນ. ສອງວິທີການຫຼັກທີ່ກຳລັງຢູ່ພາຍໃຕ້ການສືບສວນຄື:

ກ) ການເຊື່ອມໂຍງທີ່ບໍ່ເປັນເອກະພາບ:
ໂຄງສ້າງນາໂນຂອງເຊມິຄອນດັກເຕີສາມາດເຊື່ອມຕໍ່ກັບຄື້ນນຳທາງ LNOI ໄດ້ຊົ່ວຄາວ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ການປັບປຸງປະສິດທິພາບໃນການກວດຈັບ ແລະ ຄວາມສາມາດໃນການຂະຫຍາຍຍັງຈຳເປັນ.

ຂ) ການປ່ຽນຄວາມຍາວຄື່ນທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນ:
ຄຸນສົມບັດທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຂອງ LN ອະນຸຍາດໃຫ້ມີການປ່ຽນຄວາມຖີ່ພາຍໃນຄື້ນນຳທາງ, ເຮັດໃຫ້ສາມາດໃຊ້ເຄື່ອງກວດຈັບແສງຊິລິໂຄນມາດຕະຖານໄດ້ໂດຍບໍ່ຄຳນຶງເຖິງຄວາມຍາວຄື້ນປະຕິບັດການ.

ສະຫຼຸບ

ຄວາມກ້າວໜ້າຢ່າງວ່ອງໄວຂອງເຕັກໂນໂລຊີ LNOI ເຮັດໃຫ້ອຸດສາຫະກຳໃກ້ຊິດກັບແພລດຟອມ PIC ທີ່ສາມາດຮັບໃຊ້ແອັບພລິເຄຊັນທີ່ຫຼາກຫຼາຍ. ໂດຍການແກ້ໄຂບັນຫາທ້າທາຍທີ່ມີຢູ່ແລ້ວ ແລະ ຊຸກຍູ້ນະວັດຕະກໍາໃນການເຊື່ອມໂຍງແບບ monolithic ແລະ detector, PICs ທີ່ອີງໃສ່ LNOI ມີທ່າແຮງທີ່ຈະປະຕິວັດຂົງເຂດຕ່າງໆເຊັ່ນ: ໂທລະຄົມມະນາຄົມ, ຂໍ້ມູນຂ່າວສານ quantum, ແລະ ການຮັບຮູ້.

LNOI ມີຄຳໝັ້ນສັນຍາທີ່ຈະບັນລຸວິໄສທັດທີ່ຍາວນານຂອງ PICs ທີ່ສາມາດຂະຫຍາຍໄດ້, ເຊິ່ງກົງກັບຄວາມສຳເລັດ ແລະ ຜົນກະທົບຂອງ EICs. ຄວາມພະຍາຍາມດ້ານການຄົ້ນຄວ້າ ແລະ ພັດທະນາຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງ - ເຊັ່ນ: ຄວາມພະຍາຍາມຈາກ Nanjing Photonics Process Platform ແລະ XiaoyaoTech Design Platform - ຈະເປັນຈຸດສຳຄັນໃນການສ້າງອະນາຄົດຂອງໂຟໂຕນິກປະສົມປະສານ ແລະ ປົດລັອກຄວາມເປັນໄປໄດ້ໃໝ່ໆໃນທົ່ວຂົງເຂດເຕັກໂນໂລຢີ.