随着信息技术的快速发展，人工智能、5G通信、激光雷达等领域提出了对高功率数据传输系统的需求。光子芯片作为具有高传输带宽、低延迟、低功耗、抗干扰等特点的新一代传输系统，在高功率、大容量的信息传输和信息处理方面展现出巨大的潜力。目前，常用于光子芯片的材料有硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟、碳化硅、砷化镓，而铌酸锂因薄膜铌酸锂这一颠覆性技术的出现，在大规模、高密度光子集成领域极具优势。接下来，小编将为大家介绍薄膜铌酸锂在光子集成中的应用。

薄膜铌酸锂集成光芯片示意图（图源：文献1）

薄膜铌酸锂

铌酸锂晶体具有卓越的电光、声光、非线性光学、光折变、压电等效应，是当前广泛使用的一种光电材料。传统的铌酸锂光波导因具有小的折射率差，大的波导弯曲半径，导致器件尺寸大，限制了其在集成光学中的应用。直至薄膜铌酸锂的出现，改变了这一现状。薄膜铌酸锂是通过“离子切片”的方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜的，后续将剥离的薄膜键合到附有二氧化硅缓冲层的硅晶片上，以形成薄膜铌酸锂材料。相较传统的铌酸锂，薄膜铌酸锂在保留原有的声光、电光、非线性光学等特性的情况下，可以实现大规模、低功耗、低成本的集成。目前，6英寸的铌酸锂单晶薄膜已实现产业化。

制作流程：首先，使用高剂量的He⁺轰击铌酸锂晶圆，使He⁺在晶圆中一定深度形成注入层。随后，将该晶圆与另一块生长有数微米厚度二氧化硅的硅基底键合，放入高温炉中退火。在这个过程中，注入层中的He⁺会膨胀使该层的铌酸锂晶体受损分裂，铌酸锂薄膜因此被剥离下来，得到铌酸锂单晶薄膜。之后将铌酸锂单晶薄膜放入高温炉中二次退火，以修复在离子注入过程中产生的晶格缺陷。最后，将铌酸锂薄膜表面抛光，即可得到高质量的铌酸锂单晶薄膜。

离子切割技术制作铌酸锂薄膜工艺流程图（图源：文献2）

应用

一、薄膜铌酸锂光波导

光波导主要是通过全内反射或光子带隙效应，在芯片内部引导、传输光信号的，它是光子芯片中实现光信号传输的核心元件，在光波传输和光场空间约束方面发挥着不可或缺的作用。传统的块状铌酸锂光波导器件是使用钛扩散或退火质子交换工艺进行制备的，钛扩散方法所需的1000℃退火温度会破坏铌酸锂薄膜与二氧化硅之间的缓冲层，导致界面粗糙度增加，模式匹配变差，影响到光波导的集成度和性能；质子交换虽然可以在较低的温度下进行，但其实现的波导折射率对比度有限，波导的弯曲半径只能达到毫米量级，会影响到光波导的高度集成化进程，因此传统的铌酸锂光波导无法满足高集成光学电路的需求。而使用铌酸锂单晶薄膜制成光波导器件，可以较好的解决以上问题。因为铌酸锂单晶薄膜在结构上与绝缘体上硅类似，故可以通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的刻蚀工艺制作条形或脊形波导，其左右及上包层可以是二氧化硅或其他低折射率材料，制成的波导具有较大的折射率差，可实现比传统块状铌酸锂光波导更强的限光能力，有利于制成曲率半径较小的弯曲波导，使光波导器件更紧凑，提高了芯片的集成化。

薄膜铌酸锂光波导的两种制备方法（图源：文献4）

二、薄膜铌酸锂电光调制器

电光调制器是光子高速通信领域内的重要器件，是通过对光信号的相位、幅值进行调制从而实现信息的传输。调制器自身的性能决定着系统数据的传输能力，当前用于设计调制器的材料有硅、铌酸锂、砷化镓、磷化铟等。硅基调制器具有成熟的制备工艺兼容性，当前主要通过改变载流子浓度来影响折射率，从而实现对光信号的调制，但由于波导需要经过掺杂区域，导致波导的损耗较大，器件长度受限，调制的线性度不好。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料具有多量子阱结构，主要是利用量子限制斯塔克效应，外加电场使材料吸收峰发生红移，通过控制电场强度实现光的强度调制，目前多用来制备电吸收调制器。铌酸锂调制器的工作机制与硅基调制器和磷化铟调制器等采用非线性调制方法的器件不同，它利用线性电光效应，将电调制信号有效的加载到光载波上。这种调制方式的优势在于，微波电极的性能决定着调制速率，因此可以实现更快的调制速度、更高的线性度以及更低的功耗。通过巧妙的设计微波电极，薄膜铌酸锂器件可以很容易实现100GHz以上的3dB带宽，这对于高速光通信、光互联和片上光计算等都将产生重大影响。

薄膜铌酸锂调制器的结构俯视图、横截面示意图和带有片上终端电阻的等效电路（图源：文献5）

三、薄膜铌酸锂光频梳

光频梳是一种相干光源，它的光谱是由一系列频率间隔严格相等、相位互相锁定的谱线构成的，由于谱线分布图类似生活中的梳子，而得名光频梳。光频梳在时域上产生的激光脉冲序列的时间间隔也保持严格的相等。光频梳凭借其较为平坦的频率梳包络，在光通信、高精度测距、光谱分析等领域都显示出广阔的应用前景。在光通信领域，由于光梳的每一根梳齿都是高相干性激光，因此可以被单独编码进行信息传输。常用于生成频率梳的材料有碳化硅、氮化硅铝、氟化镁、铌酸锂、石英。薄膜铌酸锂凭借其高非线性系数、较大的电光系数、低损耗、较宽的光谱范围等优点，在光频梳领域实现了突破性进展。目前，使用薄膜铌酸锂制备的微环谐振型电光频梳已实现10GHz高重复频率，带宽达80nm的梳齿谱。

光频梳的时域和频域示意图（图源：文献8）

四、薄膜铌酸锂激光器

激光器在光子芯片中扮演着至关重要的角色，它可以作为光源，提供稳定、单色、相干的光信号；可以与波导、调制器、探测器等器件集成，实现信号的调制和处理。由于铌酸锂本身不具有激光增益能力，因此需要掺杂增益介质。稀土离子因拥有稳定的光学跃迁和较长的能级寿命，常被掺入薄膜铌酸锂中。掺杂稀土离子的薄膜铌酸锂在极低阈值功率泵浦光激发下就可以实现有源增益，为制备微腔激光器和放大器等有源器件开辟了道路。更重要的是，将此类有源元件与无源器件在片上集成，可以满足损耗补偿、功率提升和功能集成等一系列片上集成光子系统的需求。

掺Er³⁺薄膜铌酸锂FP谐振腔的光学显微图（图源：文献3）

薄膜铌酸锂凭借优异的电光性能、低光损耗和高集成等特点，在集成光学方向展现出非常大的应用潜力。但目前它仍存在大尺寸制备困难、材料比较脆等问题需要去解决，相信随着微纳加工技术的进步以及相关研究的深入，薄膜铌酸锂会在未来的光子芯片、光通信领域中大放异彩。

参考文献：

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