低斲丧薄膜铌酸锂光集成器件的钻研妨碍钻研

近些年来，低斲患上益于薄膜铌酸锂晶圆离子切片技术以及低斲丧微纳刻蚀工艺的丧薄酸锂飞速睁开，薄膜铌酸锂光集成器件的膜铌功能越来越高，功能性器件越来越丰硕，光集且朝着大规模光子集成的成器倾向快捷睁开，为高速信息处置、钻研钻研详尽丈量、妨碍量子信息、低斲家养智能等紧张运用提供了全新的丧薄酸锂睁开能源。

克日，膜铌中国迷信院上海光学详尽机械钻研所林锦添钻研员与华东师范大学程亚钻研员的光集散漫团队在《家养晶体学报》2024年第3期“铌酸锂集成光子学”专栏宣告了题为《低斲丧薄膜铌酸锂光集成器件的钻研妨碍》的综述论文，对于铌酸锂晶体睁开历史、成器薄膜铌酸锂离子切片技术睁开历程、钻研钻研极低斲丧微纳刻蚀技术演化历程，妨碍以及高功能的低斲薄膜铌酸锂光集成器件妨碍妨碍零星性梳理以及总结，并展望了未来的睁开趋向。

林锦添, 高仁宏, 管江林, 黎春桃, 姚妮, 程亚. 低斲丧薄膜铌酸锂光集成器件的钻研妨碍[J]. 家养晶体学报, 2024, 53(3): 372-394.

1单晶薄膜铌酸锂晶圆制备的睁开历程

单晶薄膜铌酸锂晶圆的制备履历了体块铌酸锂晶体到薄膜铌酸锂的演化。体块铌酸锂晶体钻研始于1928年，并于1937年经由试验乐因素化。我国南京大学冯端学生、闵乃本学生在20世纪70年月就开始了铌酸锂晶体妨碍、晶体缺陷以及物性的钻研，经由在晶体生前途程调控异化以及公平旋转，于1980年初次妨碍出周期极化铌酸锂晶体，验证了准相位立室技术。同年，南开大学以及西南技术物理所相助，初次揭示了经由高掺镁(>4.6%)可能清晰提升铌酸锂晶体的抗伤害阈值。南开大学许京军教授等后续睁开了系列的弱光非线性光学钻研，在紫外光折变、全息光存储、光折变波导以及孤子取患上突破性下场。2014年，南京大学祝世宁学生等初次报道了集成为了光子对于发生、操控、调制等功能的高功能铌酸锂光量子集成芯片。

基于体块晶体的弱约束光波导因存在光场约束能耐弱、波导拐弯半径大(~厘米级)等关键下场，难以胜任高密度光集成，光器件的功能被严正限度。受硅光技术开辟，人们愿望取患上亚微米厚度的薄膜铌酸锂以处置上述下场。1998年，美国哥伦比亚大学的Levy等运用氦离子注入、氢氟酸化学侵蚀伤害层等步骤从体块铌酸锂晶体剥离出厚度为9 μm、宽度约为500 μm的悬空薄膜，并将其经由环氧树脂键合到硅或者砷化镓衬底上。该单晶薄膜根基保存了体块铌酸锂晶体的优异光学功能。

经由大批钻研者的一系列探究，建树了波及低斲丧单晶铌酸锂薄膜制备流程的所有工艺，即离子注入、键合、薄膜剥离、概况化学机械抛光、高温退火、洗涤等。这些工艺的引进以及优化，为2014年先后基于离子切片技术的薄膜铌酸锂晶圆商业化奠基了技术根基，并使薄膜铌酸锂的光学品质，特意是概况散射斲丧降到比力低的数值。

此外，将体块铌酸锂晶体键合到硅衬底，再经由化学机械抛光技术将体块铌酸锂晶体减薄为薄膜的另一条技术道路在2006年也被提出。为了掂量概况平展度以及粗拙度，该类薄膜晶圆厚度艰深操作在亚10 μm量级，概况粗拙度为1.5 nm。由于这种厚的薄膜加工历程防止了离子注入，免去了晶格伤害，可能反对于更低的斲丧，价钱是光场的约束较差。

2高品质的薄膜铌酸锂微纳刻蚀技术的睁开历程

2014年，中国迷信院上海光学详尽机械钻研所Lin等睁开了飞秒激光烧蚀散漫聚焦离子束刻蚀的技术，接管加工功能较高的飞秒激光直写烧蚀薄膜铌酸锂，取患上微妄想毛坯，再运用低束流的聚焦离子束刻蚀抛光毛坯侧壁，飞腾散射斲丧并削减了质料聚积，实现为了负载Q值在2.5×105的光学微腔，使薄膜铌酸锂光子妄想的斲丧初次抵达适用门槛。美国哈佛大学团队接管精度更高的电子束光刻取代从前的艰深光刻以及激光光刻，运用氩离子刻蚀薄膜铌酸锂，也取患了负载Q值在1.02×105的光学微腔。其后该团队经由接管电感耦合等离子体-反映离子刻蚀(inductively coupled plasma-reactive ion etching， ICP-RIE)零星的氩离子刻蚀技术制备光学微腔（见图1），以及在铌酸锂的妄想概况聚积一层二氧化硅包层抑制散射斲丧，微腔的负载Q值在2017年抵达了5×106，报道了当时最高记实的本征Q值以及多模波导传输斲丧，在光通讯波段分说抵达了1.0×107以及2.7 dB/m，快捷增长薄膜铌酸锂光子学的睁开。但受限于有限的写时事积以及加工功能，上述两种措施适宜于原型器件研发以及小批量破费。

图1电子束光刻辅助的氩离子刻蚀工艺。(a)电子束光刻辅助的氩离子刻蚀工艺流程图(凭证文献[9]所画)；(b)该工艺制备的微环腔SEM照片

为了进一步飞腾光妄想侧壁斲丧，2018年，中国迷信院上海光学详尽机械钻研所Wu等提出了飞秒激光光刻辅助的化学机械刻蚀(photolithography assisted chemo-mechanical etching， PLACE)技术。该技术接管飞秒激光制备铬掩模版，再经由化学机械抛光技术刻蚀薄膜铌酸锂，实现图案转移，如图2所示，取患上概况粗拙度仅为0.1 nm的超滑腻微纳妄想，使光学微腔的负载Q值在昔时就一举突破了107量级的技术瓶颈，多模波导传输斲丧抵达了哈佛大学报道的2.7 dB/m。同时，该技术由于加工的道路仅限于平移台，可实现20 cm×20 cm及以上的面积曝光，因此可能无拼接实现晶圆级、极低斲丧微纳加工。2023年，华东师范大学Chen等针对于飞秒激光光刻串行逐点扫描的特色，进一步睁开了超高速的飞秒激光光刻零星，大幅度提升扫描速率。他们放弃了原本光斑牢靠而样品置于速率较慢(速率~4 妹妹/s)的XY线性位移台妨碍扫描的直写妄想，详细接管高速旋转的多面镜使紧聚焦的飞秒激光光斑在水平倾向X高速挪移、在XY平面的另一个倾向Y接管较慢的线性平移台同步挪移样品，并在XY平面实现为了同步的高精度二维扫描。该妄想防止了光刻历程中扫描速率的减速、减速下场，实现为了速率抵达2 m/s的匀速扫描。同时，该平台在竖直部署加置了实时追焦零星，在200 nm的扫描分说率下，实现4.8 cm2/h的光刻功能。借助该平台，Chen等已经在4英寸的单晶铌酸锂薄膜上不断制备了1960根马赫-曾经德尔干涉仪，揭示了晶圆级制备的能耐。

图2飞秒激光光刻辅助的化学机械刻蚀工艺。(a)飞秒激光光刻辅助的化学机械刻蚀工艺流程图

罕用微纳刻蚀技术的特色以及功能比力如表1所示。

表1罕用薄膜铌酸锂微纳刻蚀技术的特色以及功能比力

3高功能的片上光集成妄想以及器件

光波导是最根基的光集成妄想之一，它是构建光集成芯片的最紧张元件，在光波传输以及光场空间约束方面发挥着不可或者缺的熏染。光学微腔是另一类根基光集成妄想。当初，基于铌酸锂薄膜回音壁方式光学微腔，最高负载Q值早已经突破107，人们以此已经实现高效的非线性频率转换、高亮度的光子对于、片上孤子微梳、微激光及自感应透明等功能。

图3展现了在一个掺铒铌酸锂弱微扰微腔中接管980 nm波长临近可调谐激光泵浦所激发的多边形方式扩散。经由合计所引入的微扰对于本征回音壁方式的影响，可能很好地重现这些多边形及星形方式，而且多边形方式的实际Q值可能抵达7.7×107，与实测最高服从3.8×107挨近。

图3高品质多边形方式的分解以及调控。试验表征的多边形方式以及星形方式(a)~(h)，实际合计重现的响应方式(i)~(p)

基于低斲丧、紧约束的铌酸锂薄膜光妄想单元，列国迷信家掀起了铌酸锂薄膜光子学钻研热潮，高功能的光集成器件如雨后春笋般泛起，并增长了集成量子信息技术、高速相关通讯、非线性频率转换、详尽丈量等规模的睁开。非线性频率转换是拓展相关光源波长的紧张本领，它对于提升光通讯、探测、传输、存储的使命带宽发挥关键熏染。本文着重介绍非线性光学、光频梳发生、电光调制、波分复用以及相关光源等方面的妨碍。

非线性频率转换是拓展相关光源波长的紧张本领，它对于提升光通讯、探测、传输、存储的使命带宽发挥关键熏染。在薄膜铌酸锂光学微腔的频率转换中初次运用到d33系数可追溯到2019年。近期，运用更高阶方式以及光轴倾向相同的两层薄膜铌酸锂微腔在单片集成的微腔先后实现为了做作准相位立室。图4(a)以及(b)表当初本征Q值抵达1.23×108的X切铌酸锂微腔中，基于做作准相位立室机制，将770 nm的泵浦光耦合到微腔中，发生了阈值仅为19.6 μW的光参量振荡；宽谱可调谐的光学参量振荡经美国耶鲁大学Lu等争先患上到验证，在770.5 nm 波长激光泵浦下，当温度在100~140 ℃变更，信号光以及闲频光的波长从1430 nm被调解到1670 nm（见图4(c)以及(d)）。

图4低阈值微腔光学参量振荡。(a)基于超高品质因子(>108)单晶铌酸锂微盘腔的光参量振荡光谱图，插图为770 nm泵浦光耦合到微腔的光学显微图；(b)光参量振荡输入功率随泵浦光功率演化，展现阈值仅为19.6 μW，插图为泵浦光光谱；(c)基于周期极化铌酸锂微环腔的光参量振荡微环的SEM照片；(d)宽谱可调谐的光参量振荡信号

周期极化的薄膜铌酸锂光波导可追溯到2010年，Hu等开始实现为了对于1064 nm激光的倍频功能。2019年，我国南京大学与中山大学钻研组妄想以及制备了却构更优的周期极化薄膜铌酸锂光波导，其中，波导长度抵达6 妹妹，周期极化畴的占空比为5∶5，实现为了3061%∕(W·cm2)的新记实，如图5(a)~(c)所示。2022年，南开大学Wu等制备了啁啾周期极化薄膜铌酸锂光波导，实现为了对于1560 ~1660 nm不断光宽谱相位立室的二次谐波发生，转换功能抵达9.6%/(W·cm2)。2023年，上海交通大学Zhang等将周期极化薄膜铌酸锂光波导的尺寸扩展到3 μm×4 μm，大幅飞腾了光纤与光波导端口的模场不立室组成的耦合斲丧（见图5(d)~(f)），在光通讯波段实现为了1320%/W的转换功能以及3.8 dB的插损。

图5基于周期极化铌酸锂薄膜光波导的高效二次谐波发生。基于亚微米厚度薄膜脊形光波导的二次谐波发生：光波导以及周期极化畴妄想的二次谐波共聚焦(a)，波导横截面展现图(b)，以及随泵浦光波长变更的二次谐波转换功能(c)。基于3 μm铌酸锂薄膜脊形光波导的二次谐波发生：光波导以及周期极化畴的光学显微图(d)，光波导端口的SEM照片(e)，以及随泵浦光波长变更的二次谐波发生的功能(f)

光频梳是由一系列频率等距离、相位相互锁定的激光频率组成的相关光源，在详尽丈量以及相关信息处置具备紧张的运用价钱。基于光学微腔的光频梳，艰深借助光克尔效应或者泡克尔效应发生，具备妄想松散、功耗低以及可全光集成的优势。

南开大学薄方教授团队经由对于铌酸锂妨碍镱离子异化，争先在异化的薄膜铌酸锂微腔实现为了孤子光梳发生，如图6(a)~(c)所示。此外，他们还与中国迷信技术大学董春华团队相助，在无异化铌酸锂微环腔也实现为了更宽谱的孤子微梳，并揭示了自启动功能。当初，薄膜铌酸锂孤子微梳的谱宽已经抵达一个倍频程，具备更高亮度的暗孤子也在个别色散薄膜铌酸锂微环腔患上到揭示。个别，孤子微梳只能在具备失常色散的微腔中发生。2023年，中国迷信院上海光学详尽机械钻研所Fu等报道了在个别色散的铌酸锂微盘腔，经由引入微扰分解了具备适宜失常色散的四边形方式，如图6(d)所示。尽管铌酸锂微盘腔具备远多于相同直径微环腔的空间方式族，这很简略匆匆发受激拉曼散射以及方式交织，从而组成相位不锁定的拉曼光梳，如图6(e)所示。但一旦四边形方式被激发，老例的回音壁方式由于与四边形方式的空间重叠极差而防止被激发，进而抑制了受激拉曼散射以及方式交织，而且四边形方式具备比回音壁基模更小的方式体积，在11.1 mW泵浦功率下就实现为了1450~1620 nm的孤子微梳，如图6(f)所示。除了上述基于克尔效应的孤子微梳，尚有一类电光频梳，它运用与微腔逍遥光谱规模立室的微波源去激发级联的频率成份实现光谱展宽。此类光梳需要射频信号去激发，功耗较高，短处是具备较为平展的光梳包络，这对于波分复用、光合计以及详尽测距起着关键熏染。

图6微腔孤子微梳。基于掺镱铌酸锂微环腔的孤子微梳：微环腔的SEM照片(a)，基模的集成色散曲线(b)，孤子微梳光谱(c)。基于方式调控技术在个别色散微腔发生孤子微梳：基模以及四边形方式的群速色散(d)；对于基模妨碍泵浦发生拉曼光梳(e)，插图是微腔光发射的光学显微图；对于四边形方式妨碍泵浦发生孤子微梳(f)，插图是微腔光发射的光学显微图

作为光通讯收集的中间器件，主流的铌酸锂电光强度调制器面临着更高容量、更低功耗、更小体积的急切需要。薄膜铌酸锂光波导具备更松散的妄想以及更强的光场约束能耐，使电极对于的距离可能从原本的多少十微米削减至多少微米，这带来了电光驱动电压以及器件体积的空前飞腾，以及调制功能(传统铌酸锂电光调制器的调制功能(即半波电压与长度乘积) ~10 V·cm)的大幅提升。

阵列波导光栅是密集波分复用零星的根基单元之一。2023年，华东师范大学Wang等接管飞秒激光光刻辅助的化学机械刻蚀技术刻蚀薄膜铌酸锂，制备了中间波长在1550 nm的8通道的阵列波导光栅，通道之间的波长距离为1.6 nm，如图7(a)~(b)所示，相邻波导之间的串扰为-3.83 dB，非相邻波导的串扰为-15 dB，片上总斲丧仅为3.32 dB。浙江大学戴道锌传授课题组将四通道多模波导光栅波分复用器与新型2×2法布里-珀罗腔电光调制器阵列散漫起来，接管干法刻蚀在薄膜铌酸锂上实现为了单片集成的光发射芯片，如图7(c)~(e)所示，其中，功能区尺寸仅0.3 妹妹×2.8 妹妹，演示了320 Gbps(4×80 Gbps)OOK信号以及400 Gbps(4×100 Gbps)PAM4信号的大容量传输。

图7阵列波导光栅以及光发射器件。阵列波导光栅的光学显微图(a)以及8通道阵列波导光栅的光谱(b)。由基于2×2法布里-珀罗微腔的4个电光调制器以及4通道波分复用滤波器组成、用作波分复用发射器的光器件：光学显微图(c)，基于多模波导光栅的滤波器透射谱(d)以及从一个入射端口到4个输入端口的透射谱(e)

铌酸锂晶体是直接带隙质料，自己不发生光学增益。不外它很简略被稀土离子异化，借助稀土离子发光取患上增益。2022年中国迷信院上海光学详尽机械钻研所以及华东师范大学散漫团队基于单个弱微扰铌酸锂微腔，经由在泵浦光以及激射光波段激发四边形方式，抑制多模激射，实现为了单频激射。为了实现单频激射，微腔的尺寸艰深不能大于1 妹妹，小的微腔腔长做作限度了光学增益，有利于取患上大功率的激光输入。将较为成熟的半导体微激光芯片或者半导体缩漂亮芯片与薄膜铌酸锂光波导或者微腔散漫起来，可能取患上更大的增益，也是实现铌酸锂片上相关光源的另一条紧张道路。在拉曼激光方面，由于铌酸锂具备丰硕的拉曼振动能级，经由光泵浦的方式，很简略在无异化的薄膜铌酸锂光学微腔发生受激拉曼激射。2023年，中山大学蔡鑫伦团队实现为了宽谱调谐的拉曼激光，阈值仅为680 μW。随后，中国迷信院上海光学详尽机械钻研所Zhao等经由妄想微腔色散，基于多光子拉曼散射历程，在1546 nm激光泵浦下，仅需1.6 mW的泵浦功率就取患了17十二、81三、53二、406 nm等一系列离散相关光源。

铌酸锂极低斲丧、可电光快捷调谐的特色，使患上薄膜铌酸锂平台成为构建可重构光合计芯片的有力相助者，将有望为家养智能财富注入更强盛的算力。好比，华东师范大学Wu等最近运用飞秒激光光刻辅助的化学刻蚀技术在薄膜铌酸锂制备了4×4可编程线性光子运算器，该器件由6个可重构的马赫-曾经德尔干涉仪单元组成，在1 MHz调制速率下，片上总功耗才15 μW。运用该器件实施200次随机Su(4)变更合计患上到的矩阵保真度抵达0.902。

结语与展望

综上所述，当初铌酸锂光波导的传输斲丧抵达了1 dB/m如下，铌酸锂电光调制器的带宽突破100 GHz，光频梳的谱宽抵达了倍频程，掺铒波导缩漂亮的输入功率逾越10 mW。这一系列高功能的薄膜铌酸锂光集成器件，有力增长着新一代高速信息处置技术以及集成量子信息技术的睁开。在适用价钱方面，小型化的大输入功率波导缩漂亮在航天运用的意思严正；除了此之外，随着电光频梳功能的提升，特意是光信号输入功率的削减，它在数据传输、测距以及激光雷达等运用的价钱日益展现。

不外，为了飞腾相对于较高的薄膜铌酸锂光集成器件老本，需要睁开具备极低斲丧的晶圆级微纳加工的技术，以扩展加工规模以及功能，飞腾制组老本。因此，人们有需要睁开对于薄膜铌酸锂兼容的异质集成、异构集成本领。在详细器件层面，对于片上相关光源，微腔有限的腔长做作限度了输入功率，输入功率与单频运行每一每一存在折衷，若何经由立异物理机理，妄想具备大输入功率的窄线宽单频激光，仍极具挑战；孤子微梳，除了集成化、低功耗以及低老本的优势外，也存在输入功率低、频率晃动度有待提升、转换功能低、光谱包络不屈整等下场。这也从侧面剖析薄膜铌酸锂光子学每一况愈下，存在美不雅的睁开机缘。

审核编纂：刘清

本文地址：http://www.douyinrz.cn/html/13f290467.html