一種新型低成本、高效率光子集成電路

光子集成電路（PIC）在單個(gè)芯片上集成了多種光學(xué)器件和功能，它的快速發(fā)展給光通信和計(jì)算系統(tǒng)帶來(lái)了革命性的變化。

幾十年來(lái)，硅基光子集成電路憑借其成本效益以及與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造技術(shù)的集成，一直在這一領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，盡管它們?cè)陔姽庹{(diào)制帶寬方面存在局限性。盡管如此，硅絕緣體光收發(fā)器芯片還是成功地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，通過(guò)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的數(shù)百萬(wàn)根玻璃纖維推動(dòng)了信息流。

最近，絕緣體上的鈮酸鋰晶片平臺(tái)因其強(qiáng)大的波克爾斯系數(shù)而成為光子集成電光調(diào)制器的上佳材料。然而，高昂的成本和復(fù)雜的生產(chǎn)要求使得鈮酸鋰無(wú)法得到更廣泛的應(yīng)用，限制了其商業(yè)集成。

鉭酸鋰（LiTaO3）是鈮酸鋰的近親，有望克服這些障礙。鉭酸鋰（LiTaO3）是鈮酸鋰的近親，有望克服這些障礙。鉭酸鋰（LiTaO3）具有類(lèi)似的優(yōu)異電光質(zhì)量，但在可擴(kuò)展性和成本方面比鈮酸鋰更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗�已被電信行業(yè)廣泛用于 5G 射頻濾波器。

現(xiàn)在，EPFL 的 Tobias J. Kippenberg 教授和上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（SIMIT）的歐欣教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們創(chuàng)建了一種基于鉭酸鋰的新型 PIC 平臺(tái)。這種 PIC 充分利用了材料的固有優(yōu)勢(shì)，使高質(zhì)量 PIC 在經(jīng)濟(jì)上更加可行，從而改變了這一領(lǐng)域。這一突破發(fā)表在《自然》雜志上。

鉭酸鋰光子集成電路

研究人員為鉭酸鋰開(kāi)發(fā)了一種與硅絕緣體生產(chǎn)線兼容的晶片鍵合方法。然后，他們用類(lèi)金剛石碳掩蔽了薄膜鉭酸鋰晶片，并著手蝕刻光波導(dǎo)、調(diào)制器和超高品質(zhì)因數(shù)微諧振器。

蝕刻是通過(guò)結(jié)合深紫外線（DUV）光刻技術(shù)和干蝕刻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些技術(shù)最初是針對(duì)鈮酸鋰開(kāi)發(fā)的，后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)整，用于蝕刻硬度更高、惰性更強(qiáng)的鉭酸鋰。這種調(diào)整包括優(yōu)化蝕刻參數(shù)，以盡量減少光損耗，這是實(shí)現(xiàn)光子電路高性能的關(guān)鍵因素。

利用這種方法，研究小組能夠制造出高效率的鉭酸鋰 PIC，在電信波長(zhǎng)下的光損耗率僅為 5.6 dB/m。另一個(gè)亮點(diǎn)是電光馬赫-澤恩德調(diào)制器（MZM），這是當(dāng)今高速光纖通信中廣泛使用的一種設(shè)備。鉭酸鋰 MZM 的半波壓長(zhǎng)積為 1.9 V cm，電光帶寬達(dá)到 40 GHz。

該研究的第一作者王成利說(shuō)：“在保持高效電光性能的同時(shí)，我們還在這一平臺(tái)上產(chǎn)生了孤子微蜂窩。這些孤子微蜂窩具有大量的相干頻率，與電光調(diào)制功能相結(jié)合，特別適用于并行相干激光雷達(dá)和光子計(jì)算等應(yīng)用�！�

鉭酸鋰 PIC 的雙折射（折射率對(duì)光偏振和傳播方向的依賴(lài)性）降低，可實(shí)現(xiàn)高密度電路配置，確保在所有電信頻段都具有廣泛的操作能力。這項(xiàng)工作為可擴(kuò)展、高成本效益地制造先進(jìn)的電子光學(xué) PIC 鋪平了道路。

相關(guān)鏈接：https://techxplore.com/news/2024-05-high-efficiency-photonic-circuit.html 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07369-1