Giới thiệu
Lấy cảm hứng từ thành công của mạch tích hợp điện tử (EIC), lĩnh vực mạch tích hợp quang tử (PIC) đã không ngừng phát triển kể từ khi ra đời vào năm 1969. Tuy nhiên, không giống như EIC, việc phát triển một nền tảng phổ quát có khả năng hỗ trợ các ứng dụng quang tử đa dạng vẫn là một thách thức lớn. Bài viết này khám phá công nghệ Lithium Niobate trên chất cách điện (LNOI) đang nổi lên, công nghệ này đã nhanh chóng trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho các PIC thế hệ tiếp theo.
Sự trỗi dậy của công nghệ LNOI
Lithium niobate (LN) từ lâu đã được công nhận là vật liệu chủ chốt cho các ứng dụng quang tử. Tuy nhiên, chỉ với sự ra đời của LNOI màng mỏng và các kỹ thuật chế tạo tiên tiến, tiềm năng đầy đủ của nó mới được khai phá. Các nhà nghiên cứu đã trình diễn thành công các ống dẫn sóng gờ có độ suy hao cực thấp và các vi cộng hưởng Q cực cao trên nền tảng LNOI [1], đánh dấu một bước tiến đáng kể trong quang tử tích hợp.
Ưu điểm chính của công nghệ LNOI
- Suy hao quang học cực thấp(thấp tới 0,01 dB/cm)
- Cấu trúc nanophotonic chất lượng cao
- Hỗ trợ cho nhiều quá trình quang học phi tuyến tính khác nhau
- Khả năng điều chỉnh quang điện tích hợp (EO)
Quá trình quang học phi tuyến tính trên LNOI
Các cấu trúc nanophotonic hiệu suất cao được chế tạo trên nền tảng LNOI cho phép thực hiện các quy trình quang học phi tuyến tính quan trọng với hiệu suất đáng kể và công suất bơm tối thiểu. Các quy trình đã được chứng minh bao gồm:
- Thế hệ sóng hài thứ hai (SHG)
- Tạo tần số tổng hợp (SFG)
- Tạo tần số khác biệt (DFG)
- Chuyển đổi xuống tham số (PDC)
- Trộn bốn sóng (FWM)
Nhiều chương trình khớp pha khác nhau đã được triển khai để tối ưu hóa các quy trình này, thiết lập LNOI như một nền tảng quang học phi tuyến tính có tính linh hoạt cao.
Thiết bị tích hợp có thể điều chỉnh quang điện
Công nghệ LNOI cũng cho phép phát triển nhiều loại thiết bị quang tử có thể điều chỉnh chủ động và thụ động, chẳng hạn như:
- Bộ điều biến quang tốc độ cao
- PIC đa chức năng có thể cấu hình lại
- Lược tần số có thể điều chỉnh
- Lò xo vi quang cơ
Các thiết bị này tận dụng các đặc tính EO vốn có của lithium niobate để đạt được khả năng kiểm soát tín hiệu ánh sáng chính xác, tốc độ cao.
Ứng dụng thực tế của LNOI Photonics
PIC dựa trên LNOI hiện đang được áp dụng trong ngày càng nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm:
- Bộ chuyển đổi vi sóng sang quang học
- Cảm biến quang học
- Máy quang phổ trên chip
- Lược tần số quang học
- Hệ thống viễn thông tiên tiến
Các ứng dụng này chứng minh tiềm năng của LNOI trong việc đáp ứng hiệu suất của các thành phần quang học khối, đồng thời cung cấp các giải pháp tiết kiệm năng lượng, có khả năng mở rộng thông qua chế tạo quang khắc.
Những thách thức hiện tại và hướng đi trong tương lai
Mặc dù có những tiến triển đầy hứa hẹn, công nghệ LNOI vẫn phải đối mặt với một số rào cản kỹ thuật:
a) Giảm thiểu hơn nữa tổn thất quang học
Suy hao ống dẫn sóng dòng điện (0,01 dB/cm) vẫn cao hơn giới hạn hấp thụ của vật liệu một bậc. Cần có những tiến bộ trong kỹ thuật cắt ion và chế tạo nano để giảm độ nhám bề mặt và các khuyết tật liên quan đến hấp thụ.
b) Cải thiện khả năng kiểm soát hình học của ống dẫn sóng
Việc kích hoạt các ống dẫn sóng dưới 700 nm và khoảng cách ghép nối dưới 2 μm mà không làm giảm khả năng lặp lại hoặc tăng tổn thất lan truyền là rất quan trọng để có mật độ tích hợp cao hơn.
c) Nâng cao hiệu quả ghép nối
Trong khi sợi quang thuôn nhọn và bộ chuyển đổi chế độ giúp đạt được hiệu suất ghép nối cao, lớp phủ chống phản xạ có thể làm giảm thêm sự phản xạ giữa giao diện vật liệu và không khí.
d) Phát triển các thành phần phân cực tổn thất thấp
Các thiết bị quang tử không nhạy cảm với phân cực trên LNOI là rất cần thiết, đòi hỏi các thành phần phải phù hợp với hiệu suất của các bộ phân cực không gian tự do.
e) Tích hợp thiết bị điện tử điều khiển
Hướng nghiên cứu chính là tích hợp hiệu quả các thiết bị điện tử điều khiển quy mô lớn mà không làm giảm hiệu suất quang học.
f) Kỹ thuật phân tán và khớp pha tiên tiến
Việc tạo mẫu miền đáng tin cậy ở độ phân giải dưới micron rất quan trọng đối với quang học phi tuyến tính nhưng vẫn là công nghệ chưa hoàn thiện trên nền tảng LNOI.
g) Bồi thường cho các lỗi chế tạo
Các kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự dịch pha do thay đổi môi trường hoặc sai số trong quá trình chế tạo là rất cần thiết cho việc triển khai trong thế giới thực.
h) Ghép nối đa chip hiệu quả
Việc giải quyết vấn đề ghép nối hiệu quả giữa nhiều chip LNOI là cần thiết để mở rộng quy mô vượt ra ngoài giới hạn tích hợp một tấm wafer.
Tích hợp nguyên khối các thành phần chủ động và thụ động
Một thách thức cốt lõi đối với PIC LNOI là tích hợp nguyên khối tiết kiệm chi phí của các thành phần chủ động và thụ động như:
- Tia laser
- Máy dò
- Bộ chuyển đổi bước sóng phi tuyến tính
- Bộ điều biến
- Bộ ghép kênh/Bộ tách kênh
Các chiến lược hiện tại bao gồm:
a) Pha tạp ion của LNOI:
Việc bổ sung chọn lọc các ion hoạt động vào các vùng được chỉ định có thể tạo ra nguồn sáng trên chip.
b) Liên kết và tích hợp không đồng nhất:
Việc liên kết các PIC LNOI thụ động chế tạo sẵn với các lớp LNOI pha tạp hoặc laser III-V cung cấp một con đường thay thế.
c) Chế tạo wafer LNOI chủ động/thụ động lai:
Một cách tiếp cận sáng tạo bao gồm việc liên kết các tấm wafer LN có pha tạp và không pha tạp trước khi cắt ion, tạo ra các tấm wafer LNOI có cả vùng hoạt động và vùng thụ động.
Hình 1minh họa khái niệm về PIC chủ động/thụ động tích hợp lai, trong đó một quy trình quang khắc duy nhất cho phép căn chỉnh và tích hợp liền mạch cả hai loại thành phần.
Tích hợp bộ tách sóng quang
Việc tích hợp bộ tách sóng quang vào PIC dựa trên LNOI là một bước quan trọng khác hướng tới các hệ thống hoạt động hoàn chỉnh. Hai phương pháp chính đang được nghiên cứu:
a) Tích hợp không đồng nhất:
Các nanocấu trúc bán dẫn có thể được ghép nối tạm thời với ống dẫn sóng LNOI. Tuy nhiên, vẫn cần cải thiện hiệu suất phát hiện và khả năng mở rộng.
b) Chuyển đổi bước sóng phi tuyến tính:
Tính chất phi tuyến tính của LN cho phép chuyển đổi tần số trong ống dẫn sóng, cho phép sử dụng bộ tách sóng quang silicon tiêu chuẩn bất kể bước sóng hoạt động.
Phần kết luận
Sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ LNOI đưa ngành công nghiệp đến gần hơn với một nền tảng PIC phổ quát có khả năng phục vụ nhiều ứng dụng. Bằng cách giải quyết những thách thức hiện tại và thúc đẩy những đổi mới trong tích hợp đơn khối và máy dò, PIC dựa trên LNOI có tiềm năng cách mạng hóa các lĩnh vực như viễn thông, thông tin lượng tử và cảm biến.
LNOI cam kết hiện thực hóa tầm nhìn lâu dài về các PIC có khả năng mở rộng, sánh ngang với thành công và tác động của EIC. Những nỗ lực R&D liên tục - chẳng hạn như từ Nền tảng Quy trình Quang tử Nam Kinh và Nền tảng Thiết kế XiaoyaoTech - sẽ đóng vai trò then chốt trong việc định hình tương lai của quang tử tích hợp và mở ra những khả năng mới trên nhiều lĩnh vực công nghệ.
Thời gian đăng: 18-07-2025