薄膜鈮酸鋰在光子集成中的應用

發布時間 | 2024-09-23 14:21 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 927

稀土石英碳化硅氮化硅氧化硅

導讀：薄膜鈮酸鋰憑借優異的電光性能、低光損耗和高集成等特點，在集成光學方向展現出非常大的應用潛力。但目前它仍存在大尺寸制備困難、材料比較脆等問題需要去解決，相信隨著微納加工技術的進步以及...

隨著信息技術的快速發展，人工智能、5G通信、激光雷達等領域提出了對高功率數據傳輸系統的需求。光子芯片作為具有高傳輸帶寬、低延遲、低功耗、抗干擾等特點的新一代傳輸系統，在高功率、大容量的信息傳輸和信息處理方面展現出巨大的潛力。目前，常用于光子芯片的材料有硅、鈮酸鋰、氮化硅、磷化銦、碳化硅、砷化鎵，而鈮酸鋰因薄膜鈮酸鋰這一顛覆性技術的出現，在大規模、高密度光子集成領域極具優勢。接下來，小編將為大家介紹薄膜鈮酸鋰在光子集成中的應用。

薄膜鈮酸鋰集成光芯片示意圖（圖源：文獻1）

薄膜鈮酸鋰

鈮酸鋰晶體具有卓越的電光、聲光、非線性光學、光折變、壓電等效應，是當前廣泛使用的一種光電材料。傳統的鈮酸鋰光波導因具有小的折射率差，大的波導彎曲半徑，導致器件尺寸大，限制了其在集成光學中的應用。直至薄膜鈮酸鋰的出現，改變了這一現狀。薄膜鈮酸鋰是通過“離子切片”的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜的，后續將剝離的薄膜鍵合到附有二氧化硅緩沖層的硅晶片上，以形成薄膜鈮酸鋰材料。相較傳統的鈮酸鋰，薄膜鈮酸鋰在保留原有的聲光、電光、非線性光學等特性的情況下，可以實現大規模、低功耗、低成本的集成。目前，6英寸的鈮酸鋰單晶薄膜已實現產業化。

制作流程：首先，使用高劑量的He⁺轟擊鈮酸鋰晶圓，使He⁺在晶圓中一定深度形成注入層。隨后，將該晶圓與另一塊生長有數微米厚度二氧化硅的硅基底鍵合，放入高溫爐中退火。在這個過程中，注入層中的He⁺會膨脹使該層的鈮酸鋰晶體受損分裂，鈮酸鋰薄膜因此被剝離下來，得到鈮酸鋰單晶薄膜。之后將鈮酸鋰單晶薄膜放入高溫爐中二次退火，以修復在離子注入過程中產生的晶格缺陷。最后，將鈮酸鋰薄膜表面拋光，即可得到高質量的鈮酸鋰單晶薄膜。

離子切割技術制作鈮酸鋰薄膜工藝流程圖（圖源：文獻2）

應用

一、薄膜鈮酸鋰光波導

光波導主要是通過全內反射或光子帶隙效應，在芯片內部引導、傳輸光信號的，它是光子芯片中實現光信號傳輸的核心元件，在光波傳輸和光場空間約束方面發揮著不可或缺的作用。傳統的塊狀鈮酸鋰光波導器件是使用鈦擴散或退火質子交換工藝進行制備的，鈦擴散方法所需的1000℃退火溫度會破壞鈮酸鋰薄膜與二氧化硅之間的緩沖層，導致界面粗糙度增加，模式匹配變差，影響到光波導的集成度和性能；質子交換雖然可以在較低的溫度下進行，但其實現的波導折射率對比度有限，波導的彎曲半徑只能達到毫米量級，會影響到光波導的高度集成化進程，因此傳統的鈮酸鋰光波導無法滿足高集成光學電路的需求。而使用鈮酸鋰單晶薄膜制成光波導器件，可以較好的解決以上問題。因為鈮酸鋰單晶薄膜在結構上與絕緣體上硅類似，故可以通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的刻蝕工藝制作條形或脊形波導，其左右及上包層可以是二氧化硅或其他低折射率材料，制成的波導具有較大的折射率差，可實現比傳統塊狀鈮酸鋰光波導更強的限光能力，有利于制成曲率半徑較小的彎曲波導，使光波導器件更緊湊，提高了芯片的集成化。

薄膜鈮酸鋰光波導的兩種制備方法（圖源：文獻4）

二、薄膜鈮酸鋰電光調制器

電光調制器是光子高速通信領域內的重要器件，是通過對光信號的相位、幅值進行調制從而實現信息的傳輸。調制器自身的性能決定著系統數據的傳輸能力，當前用于設計調制器的材料有硅、鈮酸鋰、砷化鎵、磷化銦等。硅基調制器具有成熟的制備工藝兼容性，當前主要通過改變載流子濃度來影響折射率，從而實現對光信號的調制，但由于波導需要經過摻雜區域，導致波導的損耗較大，器件長度受限，調制的線性度不好。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料具有多量子阱結構，主要是利用量子限制斯塔克效應，外加電場使材料吸收峰發生紅移，通過控制電場強度實現光的強度調制，目前多用來制備電吸收調制器。鈮酸鋰調制器的工作機制與硅基調制器和磷化銦調制器等采用非線性調制方法的器件不同，它利用線性電光效應，將電調制信號有效的加載到光載波上。這種調制方式的優勢在于，微波電極的性能決定著調制速率，因此可以實現更快的調制速度、更高的線性度以及更低的功耗。通過巧妙的設計微波電極，薄膜鈮酸鋰器件可以很容易實現100GHz以上的3dB帶寬，這對于高速光通信、光互聯和片上光計算等都將產生重大影響。

薄膜鈮酸鋰調制器的結構俯視圖、橫截面示意圖和帶有片上終端電阻的等效電路（圖源：文獻5）

三、薄膜鈮酸鋰光頻梳

光頻梳是一種相干光源，它的光譜是由一系列頻率間隔嚴格相等、相位互相鎖定的譜線構成的，由于譜線分布圖類似生活中的梳子，而得名光頻梳。光頻梳在時域上產生的激光脈沖序列的時間間隔也保持嚴格的相等。光頻梳憑借其較為平坦的頻率梳包絡，在光通信、高精度測距、光譜分析等領域都顯示出廣闊的應用前景。在光通信領域，由于光梳的每一根梳齒都是高相干性激光，因此可以被單獨編碼進行信息傳輸。常用于生成頻率梳的材料有碳化硅、氮化硅鋁、氟化鎂、鈮酸鋰、石英。薄膜鈮酸鋰憑借其高非線性系數、較大的電光系數、低損耗、較寬的光譜范圍等優點，在光頻梳領域實現了突破性進展。目前，使用薄膜鈮酸鋰制備的微環諧振型電光頻梳已實現10GHz高重復頻率，帶寬達80nm的梳齒譜。

光頻梳的時域和頻域示意圖（圖源：文獻8）

四、薄膜鈮酸鋰激光器

激光器在光子芯片中扮演著至關重要的角色，它可以作為光源，提供穩定、單色、相干的光信號；可以與波導、調制器、探測器等器件集成，實現信號的調制和處理。由于鈮酸鋰本身不具有激光增益能力，因此需要摻雜增益介質。稀土離子因擁有穩定的光學躍遷和較長的能級壽命，常被摻入薄膜鈮酸鋰中。摻雜稀土離子的薄膜鈮酸鋰在極低閾值功率泵浦光激發下就可以實現有源增益，為制備微腔激光器和放大器等有源器件開辟了道路。更重要的是，將此類有源元件與無源器件在片上集成，可以滿足損耗補償、功率提升和功能集成等一系列片上集成光子系統的需求。