集成光路迎來“新春天”——鈮酸鋰薄膜技術

  撰稿| 中國科學院上海光學精密機械研究所 林錦添

  在過去幾十年中，以集成電路和光纖技術為代表的第三次產業革命，促使人類進入了日益繁榮的信息爆炸時代。而具有超越集成電路性能，滿足迅速增長的信息交換和處理對速度和效率需求可能性的集成光路，可能將這次革命再次推向一個新的高峰。

  目前實現集成光路面臨的主要問題是如何在降低器件尺寸的同時又能保持器件的傳輸損耗、調諧特性、耦合效率等性能指標。迄今為止，諸多候選平臺已被廣泛研究，如硅、III/V族半導體(InP、GaAs等)、二氧化硅、氮化硅、聚合物等。但上述材料均難以同時滿足低損耗、可調諧、低成本，以及高密度集成的要求。鈮酸鋰晶體由于具有寬透明窗口、低本征吸收、高二階非線性光學系數和電光系數，從而被視為光子集成芯片的重要候選平臺之一。近年來，得益于鈮酸鋰薄膜離子切片技術和微納器件加工技術的成熟，諸多高性能微納光子器件得以在鈮酸鋰薄膜上被實現，如低損耗波導、高品質因子微腔、電光調制器、延遲線、光頻率梳、可調濾波器、頻率轉換器、微型光譜儀、量子光源、光陀螺、熱光傳感器等。鈮酸鋰薄膜光子學領域正在發生激動人心的進展。中國科學院上海光學精密機械研究所林錦添副研究員、華東師范大學程亞教授和南開大學薄方教授、許京軍教授受邀在Photonics Research2020年第12期上發表的綜述文章中介紹了鈮酸鋰薄膜光子學的最新進展。鈮酸鋰薄膜技術的歷史可以追溯到1998年，M. Levy等報道了對單晶的鈮酸鋰薄膜采用離子切片技術制備，首先將離子注入到鈮酸鋰晶體中，再將該晶體鍵合到位于鈮酸鋰、硅或石英晶體等襯底上的二氧化硅、BCB(Benzocyclobutene，苯并環丁烯)等過渡層上，采用熱剝離和腐蝕剝離技術獲得絕緣體上的鈮酸鋰薄膜，最后經過表面的化學機械拋光和退火(500℃附近)減少離子注入造成的晶格損傷，獲得表面光滑的高質量薄膜(如圖1)。

圖1 (a) 單晶鈮酸鋰薄膜晶圓和 (b) 橫截面示意圖

  光器件的微納加工技術的發展歷程

  高性能鈮酸鋰薄膜微納光子器件加工技術從早期的光刻和氬離子刻蝕、聚焦離子束刻蝕，發展至飛秒激光燒蝕和聚焦離子束拋光、電子束曝光/紫外光刻和氬離子刻蝕，再到后來的表面處理，諸如電子束曝光和電感耦合等離子體增強氬離子刻蝕后鍍二氧化硅層與紫外光刻和氬離子刻蝕后化學機械拋光、以及激光光刻和化學機械拋光刻蝕的演進過程(如圖2)?？傮w而言，聚焦離子束刻蝕方案，精度高但加工區域有限;氬離子刻蝕方案與CMOS工藝兼容可實現大規模加工，但存在晶格損傷的缺點;化學機械拋光刻蝕，可以獲得納米級的表面光滑度，但相鄰兩個器件的耦合間隔尚未達到波長量級?？梢园l現，加工技術的進步使得光子器件的損耗越來越低，目前光波導的傳輸損耗已降至3 dB/m，光學微腔的品質因子已突破108。

圖2 鈮酸鋰薄膜上的光學微腔。(a) 飛秒激光燒蝕、聚焦離子束刻蝕制備的微環腔;(b) 紫外光刻與氬離子刻蝕制備的微盤腔;

(c) 電子束曝光、氬離子刻蝕后鍍二氧化硅的微環腔;(d) 激光光刻、化學機械拋光刻蝕制備的微盤腔

  鈮酸鋰薄膜周期極化技術

  鈮酸鋰薄膜周期極化技術主要包括叉指電極極化、電子束曝光極化、壓電原子力顯微探針極化和體塊晶體極化后再揭膜等(如圖3)，其目標在于利用鈮酸鋰最大的電光系數d33實現高效的頻率轉換。其中，叉指電極極化主要適用于X切的薄膜，極化周期在0.6 μm以上;電子束曝光和壓電原子力顯微探針極化適用于Z切薄膜，極化周期可以百納米以上;體塊晶體極化后再揭膜，則工藝相對簡單，但不是原位極化技術。

圖3 周期極化技術。(a) 從體塊周期極化晶體剝離薄膜的示意圖;(b) 壓電原子力顯微鏡探針極化示意圖;

(c) 叉指電極制備周期極化結構的示意圖;(d)、(e) 由(b)技術制備的極化結構;

(f) 電子束曝光制備的極化結構;(g) 由(c)技術制備的周期極化結構的倍頻共聚焦顯微圖

  面向集成光路的光器件

  技術的進步帶來了一批能耗更低、性能更高、尺寸更緊湊的光器件。這些光器件包括高速電光調制器和表面聲波器件、片上非線性光學頻率轉換器和量子光源、微腔光學頻率梳，以及大規模集成光路(如圖4)。目前，高速電光調制器的帶寬已達到100 GHz、半波電壓與長度積低至2.2 V.cm;基于參量下轉換的量子光源的亮度已達到1 MHz/μW及以上;微腔光梳已實現孤子態;摻鉺激光器/放大器、模分復用器和米級長度的低損耗波導延時線已得到演示。

圖4 (a)、(b)高速電光調制器;(c)集成馬赫—曾德爾干涉儀的波導延時線;(d) 孤子光頻梳

  總結和展望

  超大規模的鈮酸鋰薄膜集成光路仍然面臨重大機遇和挑戰。在技術層面，器件的設計和加工仍需優化;現有技術必須升級，以滿足晶圓級的超低損耗加工要求;鈮酸鋰與III-V族半導體等材料的異質集成剛起步，用以提供電泵浦的片上光源和高效探測器。在經濟層面，目前鈮酸鋰薄膜晶圓的價格比絕緣體上的硅晶圓昂貴;更大尺寸(如8英寸)的光學級鈮酸鋰薄膜晶圓尚未商品化。