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，促使人類進入了日益繁榮的信息爆炸時代。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新的高峰。

  目前實現(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。迄今為止，諸多候選平臺已被廣泛研究，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)生激動人心的進展。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機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)的最新進展。鈮酸鋰薄膜技術(shù)的歷史可以追溯到1998年，M. Levy等報道了對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)機械拋光、以及激光光刻和化學(xué)機械拋光刻蝕的演進過程(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工藝兼容可實現(xiàn)大規(guī)模加工，但存在晶格損傷的缺點;化學(xué)機械拋光刻蝕，可以獲得納米級的表面光滑度，但相鄰兩個器件的耦合間隔尚未達到波長量級?？梢园l(fā)現(xiàn)，加工技術(shù)的進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)，其目標在于利用鈮酸鋰最大的電光系數(shù)d33實現(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到1 MHz/μW及以上;微腔光梳已實現(xiàn)孤子態(tài);摻鉺激光器/放大器、模分復(fù)用器和米級長度的低損耗波導(dǎo)延時線已得到演示。

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遇和挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，器件的設(shè)計和加工仍需優(yōu)化;現(xiàn)有技術(shù)必須升級，以滿足晶圓級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器。在經(jīng)濟層面，目前鈮酸鋰薄膜晶圓的價格比絕緣體上的硅晶圓昂貴;更大尺寸(如8英寸)的光學(xué)級鈮酸鋰薄膜晶圓尚未商品化。