隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、5G通信、激光雷達等領(lǐng)域提出了對高功率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)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(tǒng)，在高功率、大容量的信息傳輸和信息處理方面展現(xiàn)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(shù)的出現(xiàn)，在大規(guī)模、高密度光子集成領(lǐng)域極具優(yōu)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(yīng)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(xué)、光折變、壓電等效應(yīng)，是當前廣泛使用的一種光電材料。傳統(tǒng)的鈮酸鋰光波導(dǎo)因具有小的折射率差，大的波導(dǎo)彎曲半徑，導(dǎo)致器件尺寸大，限制了其在集成光學(xué)中的應(yīng)用。直至薄膜鈮酸鋰的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)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(xù)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(tǒng)的鈮酸鋰，薄膜鈮酸鋰在保留原有的聲光、電光、非線性光學(xué)等特性的情況下，可以實現(xiàn)大規(guī)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(shù)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(fù)在離子注入過程中產(chǎn)生的晶格缺陷。最后，將鈮酸鋰薄膜表面拋光，即可得到高質(zhì)量的鈮酸鋰單晶薄膜。

離子切割技術(shù)制作鈮酸鋰薄膜工藝流程圖（圖源：文獻2）

應(yīng)用

一、薄膜鈮酸鋰光波導(dǎo)

光波導(dǎo)主要是通過全內(nèi)反射或光子帶隙效應(yīng)，在芯片內(nèi)部引導(dǎo)、傳輸光信號的，它是光子芯片中實現(xiàn)光信號傳輸?shù)暮诵脑诠獠▊鬏敽凸鈭隹臻g約束方面發(fā)揮著不可或缺的作用。傳統(tǒng)的塊狀鈮酸鋰光波導(dǎo)器件是使用鈦擴散或退火質(zhì)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(dǎo)致界面粗糙度增加，模式匹配變差，影響到光波導(dǎo)的集成度和性能；質(zhì)子交換雖然可以在較低的溫度下進行，但其實現(xiàn)的波導(dǎo)折射率對比度有限，波導(dǎo)的彎曲半徑只能達到毫米量級，會影響到光波導(dǎo)的高度集成化進程，因此傳統(tǒng)的鈮酸鋰光波導(dǎo)無法滿足高集成光學(xué)電路的需求。而使用鈮酸鋰單晶薄膜制成光波導(dǎo)器件，可以較好的解決以上問題。因為鈮酸鋰單晶薄膜在結(jié)構(gòu)上與絕緣體上硅類似，故可以通過互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的刻蝕工藝制作條形或脊形波導(dǎo)，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(dǎo)具有較大的折射率差，可實現(xiàn)比傳統(tǒng)塊狀鈮酸鋰光波導(dǎo)更強的限光能力，有利于制成曲率半徑較小的彎曲波導(dǎo)，使光波導(dǎo)器件更緊湊，提高了芯片的集成化。

薄膜鈮酸鋰光波導(dǎo)的兩種制備方法（圖源：文獻4）

二、薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器

電光調(diào)制器是光子高速通信領(lǐng)域內(nèi)的重要器件，是通過對光信號的相位、幅值進行調(diào)制從而實現(xiàn)信息的傳輸。調(diào)制器自身的性能決定著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸能力，當前用于設(shè)計調(diào)制器的材料有硅、鈮酸鋰、砷化鎵、磷化銦等。硅基調(diào)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(xiàn)對光信號的調(diào)制，但由于波導(dǎo)需要經(jīng)過摻雜區(qū)域，導(dǎo)致波導(dǎo)的損耗較大，器件長度受限，調(diào)制的線性度不好。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料具有多量子阱結(jié)構(gòu)，主要是利用量子限制斯塔克效應(yīng)，外加電場使材料吸收峰發(fā)生紅移，通過控制電場強度實現(xiàn)光的強度調(diào)制，目前多用來制備電吸收調(diào)制器。鈮酸鋰調(diào)制器的工作機制與硅基調(diào)制器和磷化銦調(diào)制器等采用非線性調(diào)制方法的器件不同，它利用線性電光效應(yīng)，將電調(diào)制信號有效的加載到光載波上。這種調(diào)制方式的優(yōu)勢在于，微波電極的性能決定著調(diào)制速率，因此可以實現(xiàn)更快的調(diào)制速度、更高的線性度以及更低的功耗。通過巧妙的設(shè)計微波電極，薄膜鈮酸鋰器件可以很容易實現(xiàn)100GHz以上的3dB帶寬，這對于高速光通信、光互聯(lián)和片上光計算等都將產(chǎn)生重大影響。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(chǎn)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(luò)，在光通信、高精度測距、光譜分析等領(lǐng)域都顯示出廣闊的應(yīng)用前景。在光通信領(lǐng)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(shù)、較大的電光系數(shù)、低損耗、較寬的光譜范圍等優(yōu)點，在光頻梳領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進展。目前，使用薄膜鈮酸鋰制備的微環(huán)諧振型電光頻梳已實現(xiàn)10GHz高重復(fù)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(guān)重要的角色，它可以作為光源，提供穩(wěn)定、單色、相干的光信號；可以與波導(dǎo)、調(diào)制器、探測器等器件集成，實現(xiàn)信號的調(diào)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(zhì)。稀土離子因擁有穩(wěn)定的光學(xué)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(fā)下就可以實現(xiàn)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(tǒng)的需求。

摻Er³⁺薄膜鈮酸鋰FP諧振腔的光學(xué)顯微圖（圖源：文獻3）

薄膜鈮酸鋰憑借優(yōu)異的電光性能、低光損耗和高集成等特點，在集成光學(xué)方向展現(xiàn)出非常大的應(yīng)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(shù)的進步以及相關(guān)研究的深入，薄膜鈮酸鋰會在未來的光子芯片、光通信領(lǐng)域中大放異彩。

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