撰稿| 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 林錦添
在過(guò)去幾十年中,以集成電路和光纖技術(shù)為代表的第三次產(chǎn)業(yè)革命,促使人類進(jìn)入了日益繁榮的信息爆炸時(shí)代。而具有超越集成電路性能,滿足迅速增長(zhǎng)的信息交換和處理對(duì)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(gè)新的高峰。
目前實(shí)現(xiàn)集成光路面臨的主要問(wèn)題是如何在降低器件尺寸的同時(shí)又能保持器件的傳輸損耗、調(diào)諧特性、耦合效率等性能指標(biāo)。迄今為止,諸多候選平臺(tái)已被廣泛研究,如硅、III/V族半導(dǎo)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(shí)滿足低損耗、可調(diào)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(xué)系數(shù)和電光系數(shù),從而被視為光子集成芯片的重要候選平臺(tái)之一。近年來(lái),得益于鈮酸鋰薄膜離子切片技術(shù)和微納器件加工技術(shù)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(shí)現(xiàn),如低損耗波導(dǎo)、高品質(zhì)因子微腔、電光調(diào)制器、延遲線、光頻率梳、可調(diào)濾波器、頻率轉(zhuǎn)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(xué)領(lǐng)域正在發(fā)生激動(dòng)人心的進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所林錦添副研究員、華東師范大學(xué)程亞教授和南開大學(xué)薄方教授、許京軍教授受邀在Photonics Research2020年第12期上發(fā)表的綜述文章中介紹了鈮酸鋰薄膜光子學(xué)的最新進(jìn)展。鈮酸鋰薄膜技術(shù)的歷史可以追溯到1998年,M. Levy等報(bào)道了對(duì)單晶的鈮酸鋰薄膜采用離子切片技術(shù)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(huán)丁烯)等過(guò)渡層上,采用熱剝離和腐蝕剝離技術(shù)獲得絕緣體上的鈮酸鋰薄膜,最后經(jīng)過(guò)表面的化學(xué)機(jī)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(zhì)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(shù)的發(fā)展歷程
高性能鈮酸鋰薄膜微納光子器件加工技術(shù)從早期的光刻和氬離子刻蝕、聚焦離子束刻蝕,發(fā)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(lái)的表面處理,諸如電子束曝光和電感耦合等離子體增強(qiáng)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(xué)機(jī)械拋光、以及激光光刻和化學(xué)機(jī)械拋光刻蝕的演進(jìn)過(guò)程(如圖2)??傮w而言,聚焦離子束刻蝕方案,精度高但加工區(qū)域有限;氬離子刻蝕方案與CMOS工藝兼容可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模加工,但存在晶格損傷的缺點(diǎn);化學(xué)機(jī)械拋光刻蝕,可以獲得納米級(jí)的表面光滑度,但相鄰兩個(gè)器件的耦合間隔尚未達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)??梢园l(fā)現(xiàn),加工技術(shù)的進(jìn)步使得光子器件的損耗越來(lái)越低,目前光波導(dǎo)的傳輸損耗已降至3 dB/m,光學(xué)微腔的品質(zhì)因子已突破108。
圖2 鈮酸鋰薄膜上的光學(xué)微腔。(a) 飛秒激光燒蝕、聚焦離子束刻蝕制備的微環(huán)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(huán)腔;(d) 激光光刻、化學(xué)機(jī)械拋光刻蝕制備的微盤腔
鈮酸鋰薄膜周期極化技術(shù)
鈮酸鋰薄膜周期極化技術(shù)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(biāo)在于利用鈮酸鋰最大的電光系數(shù)d33實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)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(duì)簡(jiǎn)單,但不是原位極化技術(shù)。
圖3 周期極化技術(shù)。(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(jié)構(gòu)的示意圖;(d)、(e) 由(b)技術(shù)制備的極化結(jié)構(gòu);
(f) 電子束曝光制備的極化結(jié)構(gòu);(g) 由(c)技術(shù)制備的周期極化結(jié)構(gòu)的倍頻共聚焦顯微圖
面向集成光路的光器件
技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)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(diào)制器和表面聲波器件、片上非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器和量子光源、微腔光學(xué)頻率梳,以及大規(guī)模集成光路(如圖4)。目前,高速電光調(diào)制器的帶寬已達(dá)到100 GHz、半波電壓與長(zhǎng)度積低至2.2 V.cm;基于參量下轉(zhuǎn)換的量子光源的亮度已達(dá)到1 MHz/μW及以上;微腔光梳已實(shí)現(xiàn)孤子態(tài);摻鉺激光器/放大器、模分復(fù)用器和米級(jí)長(zhǎng)度的低損耗波導(dǎo)延時(shí)線已得到演示。
圖4 (a)、(b)高速電光調(diào)制器;(c)集成馬赫—曾德爾干涉儀的波導(dǎo)延時(shí)線;(d) 孤子光頻梳
總結(jié)和展望
超大規(guī)模的鈮酸鋰薄膜集成光路仍然面臨重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面,器件的設(shè)計(jì)和加工仍需優(yōu)化;現(xiàn)有技術(shù)必須升級(jí),以滿足晶圓級(jí)的超低損耗加工要求;鈮酸鋰與III-V族半導(dǎo)體等材料的異質(zhì)集成剛起步,用以提供電泵浦的片上光源和高效探測(cè)器。在經(jīng)濟(jì)層面,目前鈮酸鋰薄膜晶圓的價(jià)格比絕緣體上的硅晶圓昂貴;更大尺寸(如8英寸)的光學(xué)級(jí)鈮酸鋰薄膜晶圓尚未商品化。
新聞來(lái)源:愛(ài)光學(xué)