絕緣體上鈮酸鋰（Lithium Niobate-on-Insulator，LNOI）近二十年來成為光子整合電路（Photonic Integrated Circuits, PICs）的重要平台。藉由結合鈮酸鋰的優異光學特性與先進的奈米製程技術，LNOI 已能實現多種高性能光子元件，並展現出應用於真實場景的潛力。以下將介紹 LNOI 的技術優勢、主要應用領域與未來發展方向。
LNOI的關鍵優勢
LNOI 平台的核心競爭力來自其多樣化的材料特性與先進製程，具體表現在以下幾點：
強電光效應：能高效且低功耗地實現高速光學調控。
多功能材料特性：包括壓電效應、聲光效應與熱光效應，適用於各類感測器與換能器。
高折射率對比：支持緊湊且高密度的光子電路設計。
低光學損耗：允許低損耗波導的設計，有利於大規模整合。
寬透明窗口：從可見光到中紅外波段的應用皆適用。
關鍵技術突破
光學介面耦合
實現 LNOI 波導與光纖的高效耦合是實用化的基礎，主要技術包括：
光柵耦合器：利用波導端部的垂直耦合設計，目前最佳效率可達 66.6%。
逆錐形結構：透過逐步擴充波導模態以匹配光纖模態，耦合損耗可低至 1.7 dB/面。
整合光檢測器
LNOI 平台已實現超導奈米線單光子檢測器的整合，藉由波導模態與奈米線的漸逝場耦合，提升檢測效率，為實現全光子系統鋪平道路。
電光機械器件
LNOI的多功能性使其成為電光機械（EOM）元件的理想平台，例如：
微波至光學轉換器：利用表面聲波實現微波與光學域的橋接。
壓電光機晶體：在奈米結構中結合光學與機械共振，用於量子轉換與高靈敏度傳感。
高靈敏度感測器
LNOI 支援多種整合感測器，應用範例包括：
聲光陀螺儀：透過科里奧利效應檢測旋轉動作。
溫度感測器：利用微盤共振器中的熱光雙折射實現自參考傳感，靈敏度達到毫開氏度等級。
整合光譜儀
LNOI支援高解析度、緊湊型的電光傅里葉光譜儀（EOFTS），具備寬頻、精細解析度及便攜性的優勢。
量子光學器件
LNOI為量子光子積體電路（QPIC）提供了平台支持，其應用包括：
光子對產生：透過周期極化波導實現自發參量下轉換。
量子發射源整合：III-V量子點與LNOI波導的異質結合。
密集光子整合與製造技術
密集整合應用
LNOI的高折射率對比與低損耗使其適合大規模整合，例如：
陣列波導光柵（AWGs）：用於波長分波多工。
可重構光學延遲線：基於長波導與電光開關實現。
製程技術進展
LNOI 光子的實現得益於奈米製程技術的突破，關鍵方法包括：
電子束微影（EBL）：高解析度納米結構製造。
反應離子蝕刻（RIE）：實現光滑側壁圖案轉移。
化學機械輔助蝕刻（PLACE）：製造超低損耗波導。
深紫外步進光刻：支持大規模電路高通量製造。
應用與未來展望
LNOI光子的應用涵蓋多個領域，包括：
電信：高速調製器、波長轉換器與可重構濾波器。
量子資訊：量子光源、檢測器與處理器。
傳感與計量：高靈敏度陀螺儀、溫度感測器與光譜儀。
微波光子學：高效微波-光學界面。
非線性光學：緊湊型頻率轉換器與光參量振盪器。
未來發展方向包括進一步降低光學損耗、提升電光效率、實現異質整合、擴大電路規模及加強封裝與可靠性。同時，探索LNOI在新興領域的應用將帶來更多可能性。
結論
LNOI 平台其強大的電光特性、低光損耗與多樣化材料優勢，已成為下一代光子技術的重要支柱。從量子光源到高密度光子電路，LNOI 正在多個應用領域展現其價值。隨著製程技術的不斷進步，LNOI 光子技術將在基礎研究與實際應用中扮演越來越重要的角色。
參考資料
[1] Y. Cheng, "Lithium Niobate Nanophotonics," Jenny Stanford Publishing, 2021.
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