上海微系統所等開發出可批量制造的新型光學“硅”與芯片技術

5月8日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員歐欣團隊在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片制備領域取得突破性進展。相關研究成果以《可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）為題，發表在《自然》（Nature）上。

隨著全球集成電路產業發展進入“后摩爾時代”，集成電路芯片性能提升的難度和成本越來越高，人們迫切尋找新的技術方案。以硅光技術和薄膜鈮酸鋰光子技術為代表的集成光電技術可以應對這一問題。其中，鈮酸鋰有“光學硅”之稱，近年來備受關注。

與鈮酸鋰類似，歐欣團隊與合作者證明單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優異的電光轉換特性，在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產生等方面比鈮酸鋰更具優勢。此外，硅基鉭酸鋰異質晶圓的制備工藝與絕緣體上的硅更接近，因此鉭酸鋰薄膜可實現低成本和規模化制造，具有應用價值。

歐欣團隊采用基于“萬能離子刀”的異質集成技術，通過氫離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓。進一步，合作團隊開發了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，使對應器件的光學損耗降低至5.6 dB m^-1，這低于其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值。該研究結合晶圓級流片工藝，探討了鉭酸鋰材料內低雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了可以應用于整個通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。鉭酸鋰光子芯片展現出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調制效率；同時，基于鉭酸鋰光子芯片，該研究首次在X切型電光平臺中產生了孤子光學頻率梳，結合電光可調諧性質，有望在激光雷達和精密測量等方面實現應用。當前，該研究已攻關8英寸晶圓制備技術，為更大規模的國產光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發展奠定了材料基礎。

歐欣介紹：“相較于薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易制備，且制備效率更高。同時，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調制、弱雙折射、更強的抗光折變特性，這種先天的材料優勢擴展了鉭酸鋰平臺的光學設計自由度。”

上述成果的第一完成單位為上海微系統所。該工作由上海微系統所和瑞士洛桑聯邦理工學院合作完成。

論文鏈接

鉭酸鋰異質集成晶圓制備及高性能光子芯片示意圖

（a）硅基鉭酸鋰異質晶圓（b）薄膜鉭酸鋰光學波導制備工藝及波導的掃描透鏡顯微鏡

（a）鉭酸鋰彎曲波導、（b）鈮酸鋰彎曲波導的色散曲線設計（實線）與實際色散曲線（散點），可觀察到鈮酸鋰波導色散曲線中明顯的模式交叉效應

（a）薄膜鉭酸鋰電光調制器；（b）首次實現X切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳

8英寸硅基薄膜鉭酸鋰晶圓制備