集成光路迎來“新春天”——鈮酸鋰薄膜技術(shù)

  撰稿| 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 林錦添

  在過去幾十年中，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，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)到波長量級(jí)。可以發(fā)現(xiàn)，加工技術(shù)的進(jìn)步使得光子器件的損耗越來越低，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。