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絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)技術:推動矽光子積體電路(PIC)新紀元

Enlight Technology

光子積體電路(Photonic Integrated Circuits, PIC)自1969年誕生以來,受到電子積體電路(Electronic Integrated Circuits, EIC)成功的啟發,然而,與EIC不同的是,PIC始終面臨缺乏統一技術平台的挑戰。本文將簡介絕緣體上鈮酸鋰(Lithium Niobate on Insulator, LNOI)技術在解決此挑戰上的進展。

LNOI技術的崛起

鋰酸鈮(Lithium Niobate, LN)因其優越的光學特性,一直被視為PIC技術的重要材料。然而,直到LNOI薄膜及先進製程技術的出現,其潛力才得以全面實現。目前,研究已成功開發出低損耗脊型波導及超高品質因子(Q因子)微共振器。

LNOI的關鍵優勢:

  • 超低光學損耗:最低達0.01 dB/cm,優於多數現有材料。

  • 高品質奈米光子結構:適合精密光學應用。

  • 適用於多種非線性光學處理:高轉換效率,低泵浦功率。

  • 整合電光(EO)可調特性:實現快速光學控制。

非線性光學與EO調控設備

非線性光學應用

LNOI技術已成功實現多種非線性光學過程,如二次諧波生成(SHG)與四波混頻(FWM),效率顯著提升,特別適用於低功率應用。

EO可調設備

依託鈮酸鋰的電光特性,LNOI可開發高速光調製器與可調光學梳,實現多功能整合。這些設備為電信與量子技術帶來新的可能性。

LNOI技術的實際應用

近期研究顯示,基於LNOI的PICs在多個領域展現出巨大潛力,例如:微波至光波轉換器、感測器、光譜儀、光學頻率梳、通訊設備等,這些應用證明,LNOI技術可在保持光學性能的同時,透過製程實現高效能與可擴展性。

目前挑戰與未來發展方向

雖然LNOI技術取得巨大進步,但仍需克服多項技術瓶頸:

  1. 進一步降低光學損耗:現有波導的光損耗(0.01 dB/cm)仍高於材料吸收極限,需改進離子切片技術及優化製程以減少吸收缺陷與表面粗糙度。

  2. 波導幾何控制的提升:需要實現更窄波導(< 700 nm)及更小耦合間隙(< 2 µm),同時保持製程可重複性與低傳播損耗。

  3. 增強耦合效率:雖然使用錐形光纖與波導錐已展示高耦合效率,但需進一步降低空氣與材料界面反射,可採用抗反射塗層解決。

  4. 低損耗偏振元件的開發:需要性能可與自由空間偏振器匹敵的偏振元件,來實現偏振不敏感的光子器件。

  5. 控制電子的整合:在不增加光學損耗的前提下,將大規模控制電子網路整合到光學網路中是一項重要挑戰。

  6. 相位匹配與色散工程:可靠的亞微米解析度域圖案化技術對於非線性光學應用至關重要,但在LNOI平台上尚未成熟。

  7. 製程不完美的補償技術:需開發方法補償因製程缺陷與環境條件變化引起的相位波動,確保實際應用穩定性。

  8. 多晶片耦合效率的提升:解決多個LNOI光子晶片之間的高效耦合挑戰,是突破單晶圓製程限制的關鍵。

主動與被動元件的單片整合

單片整合

將被動與主動元件整合於單片,是降低成本的未來方向,方法包括:

  • 離子摻雜:在特定區域摻雜主動離子,實現片上光源。

  • 異質整合:將LNOI與III-V激光器結合,提升性能。

  • 混合製程:結合摻雜與未摻雜LN晶片,構建主/被動整合平台。

光偵測器整合

LNOI光偵測技術主要採用:

  • 異質整合:結合半導體奈米結構提升檢測效率。

  • 非線性波長轉換:利用LN的非線性特性,匹配矽光偵測器的頻率範圍。

結論

LNOI技術的快速進展,讓統一的PIC平台日漸成形,並具備支援多樣化應用的潛力。隨著單片整合與光檢測器設計等領域的持續創新,LNOI技術將在通訊、量子資訊處理及感測等領域發揮關鍵作用。


參考資料

[1] Y. Cheng, "Lithium Niobate Nanophotonics," Jenny Stanford Publishing, 2021.


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