Perkenalan
Terinspirasi oleh kesuksesan sirkuit terpadu elektronik (EIC), bidang sirkuit terpadu fotonik (PIC) telah berkembang sejak awal tahun 1969. Namun, tidak seperti EIC, pengembangan platform universal yang mampu mendukung beragam aplikasi fotonik masih menjadi tantangan besar. Artikel ini membahas teknologi Lithium Niobate on Insulator (LNOI) yang sedang berkembang, yang dengan cepat menjadi solusi menjanjikan untuk PIC generasi mendatang.
Kebangkitan Teknologi LNOI
Litium niobat (LN) telah lama dikenal sebagai material kunci untuk aplikasi fotonik. Namun, baru dengan munculnya LNOI film tipis dan teknik fabrikasi canggih, potensinya baru dapat sepenuhnya terungkap. Para peneliti telah berhasil mendemonstrasikan pandu gelombang ridge dengan rugi-rugi ultra-rendah dan mikroresonator Q-ultra-tinggi pada platform LNOI [1], menandai lompatan signifikan dalam fotonik terintegrasi.
Keunggulan Utama Teknologi LNOI
- Kehilangan optik sangat rendah(serendah 0,01 dB/cm)
- Struktur nanofotonik berkualitas tinggi
- Dukungan untuk berbagai proses optik nonlinier
- Penyetelan elektro-optik (EO) terintegrasi
Proses Optik Nonlinier pada LNOI
Struktur nanofotonik berkinerja tinggi yang dibuat pada platform LNOI memungkinkan realisasi proses optik nonlinier utama dengan efisiensi luar biasa dan daya pompa minimal. Proses yang didemonstrasikan meliputi:
- Pembangkit Harmonik Kedua (SHG)
- Pembangkitan Frekuensi Jumlah (SFG)
- Pembangkitan Frekuensi Perbedaan (DFG)
- Konversi Turun Parametrik (PDC)
- Pencampuran Empat Gelombang (FWM)
Berbagai skema pencocokan fase telah diterapkan untuk mengoptimalkan proses ini, menjadikan LNOI sebagai platform optik nonlinier yang sangat serbaguna.
Perangkat Terintegrasi yang Dapat Disetel Secara Elektro-Optik
Teknologi LNOI juga memungkinkan pengembangan berbagai perangkat fotonik yang dapat disetel secara aktif dan pasif, seperti:
- Modulator optik berkecepatan tinggi
- PIC multifungsi yang dapat dikonfigurasi ulang
- Sisir frekuensi yang dapat disetel
- Pegas mikro-optomekanis
Perangkat ini memanfaatkan sifat EO intrinsik dari litium niobat untuk mencapai kontrol sinyal cahaya yang presisi dan berkecepatan tinggi.
Aplikasi Praktis Fotonik LNOI
PIC berbasis LNOI kini diadopsi dalam sejumlah aplikasi praktis yang semakin meningkat, termasuk:
- Konverter gelombang mikro ke optik
- Sensor optik
- Spektrometer pada chip
- Sisir frekuensi optik
- Sistem telekomunikasi canggih
Aplikasi ini menunjukkan potensi LNOI untuk menyamai kinerja komponen optik massal, sekaligus menawarkan solusi berskala besar dan hemat energi melalui fabrikasi fotolitografi.
Tantangan Saat Ini dan Arah Masa Depan
Meskipun kemajuannya menjanjikan, teknologi LNOI menghadapi beberapa kendala teknis:
a) Mengurangi Kehilangan Optik Lebih Lanjut
Kerugian pandu gelombang saat ini (0,01 dB/cm) masih satu orde besaran lebih tinggi daripada batas penyerapan material. Kemajuan dalam teknik pengirisan ion dan nanofabrikasi diperlukan untuk mengurangi kekasaran permukaan dan cacat terkait penyerapan.
b) Peningkatan Kontrol Geometri Pandu Gelombang
Mengaktifkan pandu gelombang sub-700 nm dan celah kopling sub-2 μm tanpa mengorbankan pengulangan atau meningkatkan kehilangan perambatan sangat penting untuk kepadatan integrasi yang lebih tinggi.
c) Meningkatkan Efisiensi Kopling
Sementara serat yang meruncing dan konverter mode membantu mencapai efisiensi kopling yang tinggi, lapisan anti-pantulan dapat lebih mengurangi pantulan antarmuka udara-material.
d) Pengembangan Komponen Polarisasi Kerugian Rendah
Perangkat fotonik yang tidak sensitif terhadap polarisasi pada LNOI sangat penting, memerlukan komponen yang sesuai dengan kinerja polarisator ruang bebas.
e) Integrasi Elektronik Kontrol
Mengintegrasikan elektronik kontrol skala besar secara efektif tanpa menurunkan kinerja optik merupakan arah penelitian utama.
f) Pencocokan Fase dan Rekayasa Dispersi Lanjutan
Pola domain yang andal pada resolusi sub-mikron sangat penting untuk optik nonlinier tetapi masih merupakan teknologi yang belum matang pada platform LNOI.
g) Kompensasi atas Cacat Pembuatan
Teknik untuk mengurangi pergeseran fase yang disebabkan oleh perubahan lingkungan atau varians fabrikasi sangat penting untuk penerapan di dunia nyata.
h) Kopling Multi-Chip yang Efisien
Menangani penggandengan efisien antara beberapa chip LNOI diperlukan untuk melampaui batas integrasi wafer tunggal.
Integrasi Monolitik Komponen Aktif dan Pasif
Tantangan utama bagi PIC LNOI adalah integrasi monolitik komponen aktif dan pasif yang hemat biaya seperti:
- Laser
- Detektor
- Konverter panjang gelombang nonlinier
- Modulator
- Multiplexer/Demultiplexer
Strategi saat ini meliputi:
a) Doping Ion LNOI:
Doping selektif ion aktif ke daerah yang ditentukan dapat menghasilkan sumber cahaya pada chip.
b) Ikatan dan Integrasi Heterogen:
Pengikatan PIC LNOI pasif pra-fabrikasi dengan lapisan LNOI terdoping atau laser III-V menyediakan jalur alternatif.
c) Pembuatan Wafer LNOI Hibrida Aktif/Pasif:
Pendekatan inovatif melibatkan pengikatan wafer LN terdoping dan tak terdoping sebelum pemotongan ion, menghasilkan wafer LNOI dengan daerah aktif dan pasif.
Gambar 1mengilustrasikan konsep PIC aktif/pasif terintegrasi hibrid, di mana proses litografi tunggal memungkinkan penyelarasan dan integrasi yang mulus dari kedua jenis komponen.
Integrasi Fotodetektor
Integrasi fotodetektor ke dalam PIC berbasis LNOI merupakan langkah krusial lainnya menuju sistem yang berfungsi penuh. Dua pendekatan utama sedang dikaji:
a) Integrasi Heterogen:
Nanostruktur semikonduktor dapat digabungkan secara transien ke pandu gelombang LNOI. Namun, peningkatan efisiensi deteksi dan skalabilitas masih diperlukan.
b) Konversi Panjang Gelombang Nonlinier:
Sifat nonlinier LN memungkinkan konversi frekuensi dalam pandu gelombang, sehingga memungkinkan penggunaan fotodetektor silikon standar tanpa memandang panjang gelombang operasi.
Kesimpulan
Kemajuan pesat teknologi LNOI semakin mendekatkan industri dengan platform PIC universal yang mampu melayani beragam aplikasi. Dengan mengatasi tantangan yang ada dan mendorong inovasi dalam integrasi monolitik dan detektor, PIC berbasis LNOI berpotensi merevolusi bidang-bidang seperti telekomunikasi, informasi kuantum, dan penginderaan.
LNOI memegang janji untuk mewujudkan visi jangka panjang PIC yang terukur, setara dengan keberhasilan dan dampak EIC. Upaya R&D yang berkelanjutan—seperti yang dilakukan oleh Nanjing Photonics Process Platform dan XiaoyaoTech Design Platform—akan menjadi kunci dalam membentuk masa depan fotonik terintegrasi dan membuka kemungkinan baru di seluruh domain teknologi.
Waktu posting: 18-Jul-2025