集成光路迎来“新春天”——铌酸锂薄膜技术

  撰稿| 中国科学院上海光学精密机械研究所 林锦添

  在过去几十年中，以集成电路和光纤技术为代表的第三次产业革命，促使人类进入了日益繁荣的信息爆炸时代。而具有超越集成电路性能，满足迅速增长的信息交换和处理对速度和效率需求可能性的集成光路，可能将这次革命再次推向一个新的高峰。

  目前实现集成光路面临的主要问题是如何在降低器件尺寸的同时又能保持器件的传输损耗、调谐特性、耦合效率等性能指标。迄今为止，诸多候选平台已被广泛研究，如硅、III/V族半导体(InP、GaAs等)、二氧化硅、氮化硅、聚合物等。但上述材料均难以同时满足低损耗、可调谐、低成本，以及高密度集成的要求。铌酸锂晶体由于具有宽透明窗口、低本征吸收、高二阶非线性光学系数和电光系数，从而被视为光子集成芯片的重要候选平台之一。近年来，得益于铌酸锂薄膜离子切片技术和微纳器件加工技术的成熟，诸多高性能微纳光子器件得以在铌酸锂薄膜上被实现，如低损耗波导、高品质因子微腔、电光调制器、延迟线、光频率梳、可调滤波器、频率转换器、微型光谱仪、量子光源、光陀螺、热光传感器等。铌酸锂薄膜光子学领域正在发生激动人心的进展。中国科学院上海光学精密机械研究所林锦添副研究员、华东师范大学程亚教授和南开大学薄方教授、许京军教授受邀在Photonics Research2020年第12期上发表的综述文章中介绍了铌酸锂薄膜光子学的最新进展。铌酸锂薄膜技术的历史可以追溯到1998年，M. Levy等报道了对单晶的铌酸锂薄膜采用离子切片技术制备，首先将离子注入到铌酸锂晶体中，再将该晶体键合到位于铌酸锂、硅或石英晶体等衬底上的二氧化硅、BCB(Benzocyclobutene，苯并环丁烯)等过渡层上，采用热剥离和腐蚀剥离技术获得绝缘体上的铌酸锂薄膜，最后经过表面的化学机械抛光和退火(500℃附近)减少离子注入造成的晶格损伤，获得表面光滑的高质量薄膜(如图1)。

图1 (a) 单晶铌酸锂薄膜晶圆和 (b) 横截面示意图

  光器件的微纳加工技术的发展历程

  高性能铌酸锂薄膜微纳光子器件加工技术从早期的光刻和氩离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀，发展至飞秒激光烧蚀和聚焦离子束抛光、电子束曝光/紫外光刻和氩离子刻蚀，再到后来的表面处理，诸如电子束曝光和电感耦合等离子体增强氩离子刻蚀后镀二氧化硅层与紫外光刻和氩离子刻蚀后化学机械抛光、以及激光光刻和化学机械抛光刻蚀的演进过程(如图2)。总体而言，聚焦离子束刻蚀方案，精度高但加工区域有限;氩离子刻蚀方案与CMOS工艺兼容可实现大规模加工，但存在晶格损伤的缺点;化学机械抛光刻蚀，可以获得纳米级的表面光滑度，但相邻两个器件的耦合间隔尚未达到波长量级。可以发现，加工技术的进步使得光子器件的损耗越来越低，目前光波导的传输损耗已降至3 dB/m，光学微腔的品质因子已突破108。

图2 铌酸锂薄膜上的光学微腔。(a) 飞秒激光烧蚀、聚焦离子束刻蚀制备的微环腔;(b) 紫外光刻与氩离子刻蚀制备的微盘腔;

(c) 电子束曝光、氩离子刻蚀后镀二氧化硅的微环腔;(d) 激光光刻、化学机械抛光刻蚀制备的微盘腔

  铌酸锂薄膜周期极化技术

  铌酸锂薄膜周期极化技术主要包括叉指电极极化、电子束曝光极化、压电原子力显微探针极化和体块晶体极化后再揭膜等(如图3)，其目标在于利用铌酸锂最大的电光系数d33实现高效的频率转换。其中，叉指电极极化主要适用于X切的薄膜，极化周期在0.6 μm以上;电子束曝光和压电原子力显微探针极化适用于Z切薄膜，极化周期可以百纳米以上;体块晶体极化后再揭膜，则工艺相对简单，但不是原位极化技术。

图3 周期极化技术。(a) 从体块周期极化晶体剥离薄膜的示意图;(b) 压电原子力显微镜探针极化示意图;

(c) 叉指电极制备周期极化结构的示意图;(d)、(e) 由(b)技术制备的极化结构;

(f) 电子束曝光制备的极化结构;(g) 由(c)技术制备的周期极化结构的倍频共聚焦显微图

  面向集成光路的光器件

  技术的进步带来了一批能耗更低、性能更高、尺寸更紧凑的光器件。这些光器件包括高速电光调制器和表面声波器件、片上非线性光学频率转换器和量子光源、微腔光学频率梳，以及大规模集成光路(如图4)。目前，高速电光调制器的带宽已达到100 GHz、半波电压与长度积低至2.2 V.cm;基于参量下转换的量子光源的亮度已达到1 MHz/μW及以上;微腔光梳已实现孤子态;掺铒激光器/放大器、模分复用器和米级长度的低损耗波导延时线已得到演示。

图4 (a)、(b)高速电光调制器;(c)集成马赫—曾德尔干涉仪的波导延时线;(d) 孤子光频梳

  总结和展望

  超大规模的铌酸锂薄膜集成光路仍然面临重大机遇和挑战。在技术层面，器件的设计和加工仍需优化;现有技术必须升级，以满足晶圆级的超低损耗加工要求;铌酸锂与III-V族半导体等材料的异质集成刚起步，用以提供电泵浦的片上光源和高效探测器。在经济层面，目前铌酸锂薄膜晶圆的价格比绝缘体上的硅晶圆昂贵;更大尺寸(如8英寸)的光学级铌酸锂薄膜晶圆尚未商品化。