科学新知｜我国科学家实现钽酸锂集成光子芯片批量制造

5月8日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）研究员欧欣团队与瑞士洛桑联邦理工学院tobias kippenberg团队合作，在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展。上海微系统所已率先攻关8英寸晶圆制备技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了核心材料基础。相关成果以《可批量制造的钽酸锂集成光子芯片》（lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）为题，发表于国际学术期刊《自然》。

钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片示意图

随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，集成电路芯片性能提升的难度和成本越来越高，人们迫切需要寻找新的技术方案。以硅光技术和薄膜铌酸锂光子技术为代表的集成光电技术成为应对此瓶颈问题的颠覆性技术。

其中，铌酸锂被称为光子时代的“光学硅”材料，因其自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，被广泛应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3d全息显示、非线性光学器件、光量子通信等领域。

与铌酸锂类似，欧欣团队与合作者研究证明单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，且在双折射、透明窗口范围、抗光折变、频率梳产生等方面相比铌酸锂更具优势。此外，硅基钽酸锂异质晶圆（ltoi）的制备工艺与绝缘体上的硅（soi）更加接近，因此，钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有极高的应用价值。

欧欣团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。进一步，与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，对应器件的光学损耗低于已知的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。

（a）硅基钽酸锂异质晶圆（b）薄膜钽酸锂光学波导制备工艺及波导的扫描透镜显微镜（sem）

结合晶圆级流片工艺，研究人员探索了钽酸锂材料内低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了可以应用于整个通信波段的钽酸锂光子微腔谐振器。钽酸锂光子芯片不仅展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率，同时基于钽酸锂光子芯片，研究团队首次在x切型电光平台中成功产生了孤子光学频率梳，结合其电光可调谐性质，有望在激光雷达、精密测量等方面实现应用。

（a）薄膜钽酸锂电光调制器；

（b）首次实现x切型钽酸锂上的克尔孤子光频梳8英寸硅基薄膜钽酸锂晶圆制备

欧欣介绍，相较于薄膜铌酸锂，薄膜钽酸锂更易制备，且制备效率更高。同时，钽酸锂薄膜具有更宽的透明窗口、强电光调制、弱双折射、更强的抗光折变特性，这种先天的材料优势极大地扩展了钽酸锂平台的光学设计自由度。