Perkenalan
Terinspirasi oleh keberhasilan sirkuit terpadu elektronik (EIC), bidang sirkuit terpadu fotonik (PIC) telah berkembang sejak awal kemunculannya pada tahun 1969. Namun, tidak seperti EIC, pengembangan platform universal yang mampu mendukung beragam aplikasi fotonik masih menjadi tantangan utama. Artikel ini mengeksplorasi teknologi Lithium Niobate on Insulator (LNOI) yang sedang berkembang, yang dengan cepat menjadi solusi menjanjikan untuk PIC generasi berikutnya.
Kebangkitan Teknologi LNOI
Lithium niobate (LN) telah lama dikenal sebagai material kunci untuk aplikasi fotonik. Namun, potensi penuhnya baru terungkap dengan munculnya LNOI film tipis dan teknik fabrikasi canggih. Para peneliti telah berhasil mendemonstrasikan pandu gelombang punggung ultra-rendah rugi dan mikroresonator ultra-tinggi-Q pada platform LNOI [1], menandai lompatan signifikan dalam fotonik terintegrasi.
Keunggulan Utama Teknologi LNOI
- Kehilangan optik ultra-rendah(serendah 0,01 dB/cm)
- Struktur nanofotonik berkualitas tinggi
- Dukungan untuk beragam proses optik nonlinier
- Kemampuan 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 telah didemonstrasikan meliputi:
- Pembangkitan Harmonik Kedua (SHG)
- Pembangkitan Frekuensi Jumlah (SFG)
- Pembangkitan Frekuensi Selisih (DFG)
- Konversi Turun Parametrik (PDC)
- Pencampuran Empat Gelombang (FWM)
Berbagai skema pencocokan fasa telah diimplementasikan 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 macam 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-optomekanik
Perangkat ini memanfaatkan sifat elektro-optik intrinsik litium niobat untuk mencapai kontrol sinyal cahaya yang presisi dan berkecepatan tinggi.
Aplikasi Praktis Fotonik LNOI
PIC berbasis LNOI kini diadopsi dalam semakin banyak aplikasi praktis, termasuk:
- Konverter gelombang mikro ke optik
- Sensor optik
- Spektrometer on-chip
- Sisir frekuensi optik
- Sistem telekomunikasi canggih
Aplikasi-aplikasi ini menunjukkan potensi LNOI untuk menyamai kinerja komponen optik massal, sekaligus menawarkan solusi yang terukur dan hemat energi melalui fabrikasi fotolitografi.
Tantangan Saat Ini dan Arah Masa Depan
Terlepas dari kemajuannya yang menjanjikan, teknologi LNOI menghadapi beberapa kendala teknis:
a) Mengurangi Kerugian Optik Lebih Lanjut
Kerugian pandu gelombang saat ini (0,01 dB/cm) masih satu tingkat lebih tinggi daripada batas penyerapan material. Kemajuan dalam teknik pemotongan ion dan nanofabrikasi diperlukan untuk mengurangi kekasaran permukaan dan cacat terkait penyerapan.
b) Kontrol Geometri Pandu Gelombang yang Lebih Baik
Memungkinkan pandu gelombang di bawah 700 nm dan celah kopling di bawah 2 μm tanpa mengorbankan pengulangan atau meningkatkan kehilangan propagasi sangat penting untuk kepadatan integrasi yang lebih tinggi.
c) Meningkatkan Efisiensi Penggabungan
Meskipun serat tirus dan konverter mode membantu mencapai efisiensi kopling yang tinggi, lapisan anti-refleksi dapat lebih mengurangi pantulan antarmuka udara-material.
d) Pengembangan Komponen Polarisasi dengan Kerugian Rendah
Perangkat fotonik yang tidak sensitif terhadap polarisasi pada LNOI sangat penting, membutuhkan komponen yang sesuai dengan kinerja polarisator ruang bebas.
e) Integrasi Elektronik Kontrol
Mengintegrasikan elektronika kontrol skala besar secara efektif tanpa menurunkan kinerja optik merupakan arah penelitian utama.
f) Pencocokan Fase Lanjutan dan Rekayasa Dispersi
Pembuatan 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 untuk Cacat Fabrikasi
Teknik untuk mengurangi pergeseran fasa yang disebabkan oleh perubahan lingkungan atau variasi fabrikasi sangat penting untuk penerapan di dunia nyata.
h) Kopling Multi-Chip yang Efisien
Mengatasi masalah keterkaitan yang efisien antara beberapa chip LNOI sangat penting untuk meningkatkan skala melampaui batasan integrasi wafer tunggal.
Integrasi Monolitik Komponen Aktif dan Pasif
Tantangan utama bagi PIC LNOI adalah integrasi monolitik yang hemat biaya dari komponen aktif dan pasif seperti:
- Laser
- Detektor
- Konverter panjang gelombang nonlinier
- Modulator
- Multiplexer/Demultiplexer
Strategi saat ini meliputi:
a) Doping Ion pada LNOI:
Doping selektif ion aktif ke wilayah tertentu dapat menghasilkan sumber cahaya di dalam chip.
b) Ikatan dan Integrasi Heterogen:
Penggabungan PIC LNOI pasif pra-fabrikasi dengan lapisan LNOI yang didoping atau laser III-V memberikan jalur alternatif.
c) Fabrikasi Wafer LNOI Aktif/Pasif Hibrida:
Pendekatan inovatif melibatkan pengikatan wafer LN yang didoping dan tidak didoping sebelum pemotongan ion, menghasilkan wafer LNOI dengan daerah aktif dan pasif.
Gambar 1Ilustrasi ini menggambarkan konsep PIC (Photonic Integrated Circuit) aktif/pasif terintegrasi hibrida, di mana satu proses litografi memungkinkan penyelarasan dan integrasi yang mulus dari kedua jenis komponen tersebut.
Integrasi Fotodetektor
Mengintegrasikan fotodetektor ke dalam PIC berbasis LNOI merupakan langkah penting lainnya menuju sistem yang berfungsi penuh. Dua pendekatan utama sedang diteliti:
a) Integrasi Heterogen:
Nanostruktur semikonduktor dapat dihubungkan sementara ke pandu gelombang LNOI. Namun, peningkatan efisiensi deteksi dan skalabilitas masih diperlukan.
b) Konversi Panjang Gelombang Nonlinier:
Sifat nonlinier LN memungkinkan konversi frekuensi di dalam pandu gelombang, sehingga memungkinkan penggunaan fotodetektor silikon standar tanpa memperhatikan panjang gelombang operasinya.
Kesimpulan
Kemajuan pesat teknologi LNOI membawa industri lebih dekat ke platform PIC universal yang mampu melayani berbagai macam 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 menjanjikan terwujudnya visi jangka panjang tentang PIC yang dapat diskalakan, menyamai keberhasilan dan dampak EIC. Upaya penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan—seperti yang dilakukan oleh Nanjing Photonics Process Platform dan XiaoyaoTech Design Platform—akan menjadi kunci dalam membentuk masa depan fotonika terintegrasi dan membuka kemungkinan baru di berbagai bidang teknologi.
Waktu posting: 18 Juli 2025