可批量生产：中国科学家打造低成本、高效率的新型光子芯片

光子盒研究院

光子集成电路（PIC）将多种光学器件与功能集成至单一芯片，其迅速发展正彻底改变光通信与计算系统。数十年来，由于其成本效益及与现有半导体制造技术的兼容性，硅基集成电路在此领域占据了主导地位。虽然在电光调制带宽方面存在局限，但硅绝缘体光收发器芯片已成功商业化，在现代数据中心通过数百万光纤传输数据。

近期，铌酸锂芯片平台因其出色的泡克耳斯系数而成为光子集成电光调制器的理想材料。尽管如此，高昂的成本和复杂的生产要求限制了铌酸锂的广泛应用与商业集成。

钽酸锂（LiTaO3），作为铌酸锂的近亲，展现了解决这些障碍的潜力。它不仅保持了类似的卓越电光性能，还在可扩展性和成本方面具有优势，已在电信行业的5G射频滤波器中得到广泛应用。

最新研究由洛桑联邦理工学院（EPFL）的Tobias J. Kippenberg教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导，他们开发了基于钽酸锂的新型PIC平台。这一平台利用了材料的固有优势，使得高质量的PIC在经济上更具可行性，为该领域带来了变革。这项突破性成果已发表在《自然》杂志上。

钽酸锂光子集成电路

研究人员开发了一种新的晶圆键合（wafer-bonding）技术，使钽酸锂与硅绝缘体生产线兼容。在此基础上，他们采用类金刚石碳层保护钽酸锂薄膜晶片，并开始蚀刻光波导、调制器和超高品质因数的微谐振器。

蚀刻过程结合了深紫外线（DUV）光刻技术和干蚀刻技术，这些技术原本是为铌酸锂设计的，后经调整适用于更硬、更惰性的钽酸锂。调整过程包括优化蚀刻参数，以最大程度减少光损耗——确保光子电路性能的关键。

通过这种方法，研究团队成功制造出效率高的钽酸锂PIC，其在电信波长下的光损耗率仅为5.6 dB/m。此外，他们还开发了电光马赫-曾德尔调制器（MZM），该设备是现代高速光纤通信中不可或缺的部件。这种钽酸锂MZM具有1.9 V cm的半波压长积，以及高达40 GHz的电光带宽。

LTOI基底和光波导

LTOI PIC的光学特性

LTOI中的电光调谐和切换

在LTOI微谐振器中产生DKS

该研究的第一作者Chengli Wang表示，“在保持高效电光性能的同时，我们的平台还成功生成了孤子微梳（Soliton Microcomb）。”他进一步解释说：“这些孤子微梳拥有众多相干频率，结合了电光调制功能，非常适合用于并行相干激光雷达和光子计算等高端应用。”

在这项研究中，科研团队采用了一种名为“万能离子刀”的异质集成技术，通过离子注入和晶圆键合方法制备出高质量的硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。同时，他们与合作团队共同开发了一种超低损耗钽酸锂光子器件的微纳加工技术，成功制造出钽酸锂光子芯片。

这些钽酸锂PIC展现了较低的双折射性（折射率对光偏振和传播方向的依赖性），允许实现更高密度的电路布局，并确保在所有电信频段中都具有广泛的操作能力。这一成就为可扩展且成本效益高的先进电光PIC的制造铺平了道路。

欧欣教授指出，钽酸锂光子芯片具有极低的光学损耗和高效的电光转换特性，预计能够突破通信领域的速度、功耗、频率和带宽的限制，同时在低温量子技术、光计算、光通信等领域引发技术革命。

参考链接：

[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1043792

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/Vfa7DjUGC-utgR_EDRQ3Ew

[4]https://techxplore.com/news/2024-05-high-efficiency-photonic-circuit.html