5月8日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱上海微系統(tǒng)所）研究員歐欣團隊與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院tobias kippenberg團隊合作，在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進展。上海微系統(tǒng)所已率先攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了核心材料基礎(chǔ)。相關(guān)成果以《可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片》（lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）為題，發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然》。
鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片示意圖
隨著全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入“后摩爾時代”，集成電路芯片性能提升的難度和成本越來越高，人們迫切需要尋找新的技術(shù)方案。以硅光技術(shù)和薄膜鈮酸鋰光子技術(shù)為代表的集成光電技術(shù)成為應(yīng)對此瓶頸問題的顛覆性技術(shù)。
其中，鈮酸鋰被稱為光子時代的“光學硅”材料，因其自身機械性能穩(wěn)定、易加工、耐高溫、抗腐蝕、原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高性能濾波器、電光器件、全息存儲、3d全息顯示、非線性光學器件、光量子通信等領(lǐng)域。
與鈮酸鋰類似，歐欣團隊與合作者研究證明單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，且在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產(chǎn)生等方面相比鈮酸鋰更具優(yōu)勢。此外，硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓（ltoi）的制備工藝與絕緣體上的硅（soi）更加接近，因此，鉭酸鋰薄膜可實現(xiàn)低成本和規(guī)模化制造，具有極高的應(yīng)用價值。
歐欣團隊采用基于“萬能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過離子注入結(jié)合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。進一步，與合作團隊聯(lián)合開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，對應(yīng)器件的光學損耗低于已知的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值。
（a）硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓（b）薄膜鉭酸鋰光學波導制備工藝及波導的掃描透鏡顯微鏡（sem）
結(jié)合晶圓級流片工藝，研究人員探索了鉭酸鋰材料內(nèi)低雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了可以應(yīng)用于整個通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。鉭酸鋰光子芯片不僅展現(xiàn)出與鈮酸鋰薄膜相當?shù)碾姽庹{(diào)制效率，同時基于鉭酸鋰光子芯片，研究團隊首次在x切型電光平臺中成功產(chǎn)生了孤子光學頻率梳，結(jié)合其電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達、精密測量等方面實現(xiàn)應(yīng)用。
（a）薄膜鉭酸鋰電光調(diào)制器；
（b）首次實現(xiàn)x切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳8英寸硅基薄膜鉭酸鋰晶圓制備
歐欣介紹，相較于薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易制備，且制備效率更高。同時，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調(diào)制、弱雙折射、更強的抗光折變特性，這種先天的材料優(yōu)勢極大地擴展了鉭酸鋰平臺的光學設(shè)計自由度。
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