科學家成功研發可批量制造新型光子芯片技術

中新網北京5月9日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)中國科學院最新發布消息說，由中國科學院上海微系統與信息技術研究所(上海微系統所)、瑞士洛桑聯邦理工學院組成的合作團隊在國際上另辟蹊徑，最近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，已成功研發并實現可批量制造的新型光子芯片——鉭酸鋰集成光子芯片，相關研究成果論文于北京時間5月8日夜間在國際著名學術期刊《自然》上線發表。

研究團隊自行設計的鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片示意圖。中國科學院上海微系統所/供圖

據悉，中國科學院上海微系統所團隊孵化的上海新硅聚合半導體有限公司已經具備薄膜鉭酸鋰異質晶圓量產能力，并開發出8英寸異質集成鉭酸鋰材料技術，將為更大規模的中國國產光學和射頻芯片的發展奠定核心材料基礎。

本次研究的8英寸硅基薄膜鉭酸鋰晶圓制備。中國科學院上海微系統所/供圖

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，全球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是應對此瓶頸問題的顛覆性技術。與鈮酸鋰類似，中國與瑞士合作團隊研究證明單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優異的電光轉換特性，且在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產生等方面相比鈮酸鋰更具優勢。此外，硅基鉭酸鋰異質晶圓的制備工藝與絕緣體上的硅更加接近，因此鉭酸鋰薄膜可實現低成本和規模化制造，具有極高應用價值。

(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。中國科學院上海微系統所/供圖

論文共同通訊作者、中國科學院上海微系統所歐欣研究員表示，研究團隊采用基于“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，隨后進一步聯合開發出超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法。結合晶圓級流片工藝，研究團隊探索發現，鉭酸鋰光子芯片不僅展現出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調制效率，同時兼具片上實現孤子光學頻率梳的獨特屬性，有望在激光雷達、精密測量等方面實現應用。

(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。中國科學院上海微系統所/供圖

歐欣指出，相較于薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易制備，且制備效率更高。此外，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，這些先天材料優勢極大擴展了鉭酸鋰平臺的光學設計自由度。

中國科學院上海微系統所介紹說，近十年來，歐欣帶領該所異質集成團隊集中突破高品質單晶薄膜制備及異質集成共性技術，同時重點布局基于異質集成材料的5G/6G高頻聲學射頻濾波器、高速集成光子器件及高功率電子器件技術。

(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。中國科學院上海微系統所/供圖

歐欣團隊此次與瑞士洛桑聯邦理工學院教授托比亞斯·基彭貝格(Tobias J. Kippenberg)團隊攜手選擇可批量制造的鉭酸鋰薄膜作為研究對象，挖掘出鉭酸鋰相較于鈮酸鋰在光電性能和批量制備方面的更大優勢。最新發表于《自然》的相關成果顯示，鉭酸鋰光子芯片所展現出的極低光學損耗、高效電光轉換等特性，有望為突破通信領域速度、功耗、頻率和帶寬四大瓶頸問題提供解決方案，并在低溫量子、光計算、光通信等領域催生革命性技術。(完)

（原題：中國與瑞士團隊合作研發成功可批量制造新型光子芯片技術）