光刻工艺制备宽带铌酸锂薄膜电光调制器

Fan Yang, Xiansong Fang, Xinyu Chen, Lixin Zhu, Fan Zhang, Zhangyuan Chen, and Yanping L. Monolithic thin film lithium niobate electro-optic modulator with over 110 GHz bandwidth. Chinese Optics Letters, 2022, 20(2): 022502.

  在5G、物联网、虚拟现实、人工智能等新一代信息技术推动下，宽带化浪潮席卷全球，全球网络信息容量呈指数增长。作为信息系统中的重要一环，以光波为载体的光通信网络面临着容量、能耗和成本上的巨大压力。电光调制器是实现信息光电转换的核心器件，因此大带宽、低功耗、小型化和可大规模制造的新型电光调制器芯片成为世界各国集中攻关的核心变革性技术之一。

  近年来，具有超高带宽和低驱动电压的铌酸锂薄膜电光调制芯片被陆续报道，展现了其在未来光子系统中的应用潜力。但目前芯片加工大多依赖于耗时的电子束曝光技术，成本高且很难大规模制作。而常规的光刻及干法刻蚀技术很难获得光滑的刻蚀表面。

  因此《》如何在保证器件卓越性能的同时降低制造成本成为亟待解决的问题。北京大学的李艳萍副教授课题组在 Chinese Optics Letters ，第20卷第2期(Fan Yang, et al., Monolithic thin film lithium niobate electro-optic modulator with over 110 GHz bandwidth)上展示了一种通过晶圆级紫外光刻和湿法蚀刻制造的具有110 GHz以上带宽的铌酸锂薄膜电光调制器，并被选为当期Editors’ Pick。铌酸锂薄膜电光调制器结构和测试图见图1。该器件基于马赫-增德尔干涉结构，采用湿法刻蚀工艺避免了传统干法刻蚀工艺中微掩膜和重沉积的影响，并且获得了传输损耗约为0.2 dB/cm的光波导和高质量的行波电极。同时，该器件具有低的半波电压长度乘积(2.37 Vcm)和高的消光比(>23 dB)。在系统内ADC/DAC带宽限制的情况下，仍然可以支持高达 250 Gb/s 的 PAM-6 和 200 Gb/s 的 PAM-4 数据传输。

图1 (a)铌酸锂薄膜电光调制器结构图 (b)波导和行波电极的扫描电镜照片 (c)波导的原子力显微镜测试图

  该器件的优越性能显示了通过光刻工艺提高产量和降低成本的潜力，证明了大规模和低成本制造铌酸锂薄膜电光调制器的可行性，并为铌酸锂薄膜电光调制器广泛应用于电信、微波光子系统等成本敏感的场景中迈出了重要一步。未来该课题组将专注于进一步优化器件的性能，并向更大规模集成的方向努力。