集成鈮酸鋰光子器件技術(shù)的研究進(jìn)展

張 濤，何 杰，胡少勤，許 昕，張玉蕾

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶 400060)

0 引言

鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體是一種集壓電、鐵電、聲光、電光、光彈、光折變等性能于一體的人工合成多功能材料，其不僅具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，基本不與常見(jiàn)的強(qiáng)酸/強(qiáng)堿反應(yīng)，且熱穩(wěn)定性好，即使在1 000 ℃以上也不會(huì)發(fā)生分解，是一種重要的、不斷開(kāi)辟新應(yīng)用領(lǐng)域的無(wú)機(jī)非金屬多功能晶體材料。LN晶體已廣泛應(yīng)用于微聲聲表面波(Micro-Acoustic SAW)器件、紅外探測(cè)器、激光調(diào)制器、光通訊調(diào)制器、光學(xué)開(kāi)關(guān)、光參量振蕩器、集成光學(xué)元件、激光倍頻器、自倍頻激光器、光折變器件如高分辨的全息存儲(chǔ)、光波導(dǎo)基片和光隔離器等方面，且在光子海量存儲(chǔ)、光學(xué)集成等領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為光電子時(shí)代的“光學(xué)硅”[1]。

采用LN單晶塊材制作的傳統(tǒng)LN光電器件，其體積大，難以實(shí)現(xiàn)硅基微系統(tǒng)集成。在器件向集成化、微型化發(fā)展的趨勢(shì)下，為了實(shí)現(xiàn)光電器件的片上集成，迫切需求高質(zhì)量 LN薄膜材料。采用傳統(tǒng)方法生長(zhǎng)的LN薄膜存在取向控制難，生長(zhǎng)溫度過(guò)高及鋰(Li)揮發(fā)引起化學(xué)計(jì)量比偏析等技術(shù)難題[2]，導(dǎo)致制備的LN薄膜擇優(yōu)取向度差、缺陷密度高且薄膜為多晶薄膜，性能遠(yuǎn)低于單晶塊材。近年來(lái)，為滿足下一代光電器件在集成化、小型化發(fā)展趨勢(shì)下對(duì)高品質(zhì) LN薄膜材料的迫切需求，采用離子注入技術(shù)和晶圓直接鍵合技術(shù)相結(jié)合的“Smart-Cut”薄膜轉(zhuǎn)移制備工藝制備出絕緣體上LN單晶薄膜(LNOI)并獲得了應(yīng)用。LNOI技術(shù)是一項(xiàng)革命性技術(shù)，使得實(shí)現(xiàn)具有更高性能、更低成本的全新光電子器件和應(yīng)用成為可能，這為研制集成光子器件提供了新的解決途徑和方案[3-14]。哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院在一項(xiàng)關(guān)于LN的研究報(bào)告中對(duì)LNOI如此評(píng)價(jià)：如果電子革命的中心以使其成為可能的硅材料而命名為“硅谷(Silicon Valley)”，那么，光子革命的發(fā)源地就將會(huì)以LN材料而命名為“鈮谷(Lithium Niobate Valley)”[15]?；贚NOI的集成光子器件技術(shù)是一種能與硅光子技術(shù)兼容的混合集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的器件具有體積小，質(zhì)量小，工作頻率高，易制作和IC集成的優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。本文綜合研究了基于LNOI的集成光子器件的最新研究進(jìn)展、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并討論了集成LN光子器件目前面臨的挑戰(zhàn)。

1 LNOI的制備及發(fā)展

在低折射率的介質(zhì)材料上制備出高性能的LNOI是實(shí)現(xiàn)集成鈮光子器件的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)制備LN薄膜的方法，如化學(xué)氣相沉積法、射頻濺射法、分子束外延法、溶膠-凝膠法和脈沖激光沉積法等，難以生產(chǎn)出高結(jié)晶質(zhì)量的LN薄膜且只能獲得多晶薄膜，而外延生長(zhǎng)的LN薄膜不僅結(jié)晶質(zhì)量難與單晶LN晶圓相媲美，且由于晶格匹配的限制，對(duì)襯底材料的特性有著嚴(yán)格要求。

近年來(lái)，采用離子注入技術(shù)與直接鍵合技術(shù)相結(jié)合的方法制備晶體離子切片已成為非常有前景的技術(shù)[5]。這種稱之為“Smart-Cut”的技術(shù)最初由法國(guó)SOITEC公司開(kāi)發(fā)[16]，應(yīng)用于制造絕緣體上硅(SOI)晶圓?！癝mart-Cut”技術(shù)的特點(diǎn)是保留了載體底物，使用He+注入和晶圓鍵合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)大面積單晶薄膜的轉(zhuǎn)移制備，其最大的優(yōu)勢(shì)是能夠制備出任意切型的高質(zhì)量單晶薄膜材料,且剝離的注入基片可重復(fù)使用，提高了材料的利用率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。目前，離子注入剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)已成為制備SOI的主流技術(shù)，采用離子注入剝離技術(shù)制備的SOI晶圓材料已獲得成熟的商業(yè)應(yīng)用。

為了克服傳統(tǒng)生長(zhǎng)法制備LN薄膜存在的如缺Li相、薄膜擇優(yōu)取向度差、缺陷密度高且薄膜為多晶薄膜等缺點(diǎn)，1998年，M. Levy等[17]把制作SOI晶圓的離子注入剝離技術(shù)用于制備LNOI，他們采用在LN晶片表面注入He+，然后對(duì)其進(jìn)行側(cè)面腐蝕并獲得單晶LN 薄膜。2004年，P. Rabiei等利用離子注入技術(shù)和直接鍵合技術(shù)相結(jié)合的方法，制作出單晶LN薄膜[4]，即“絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)”，這是“Smart-Cut”技術(shù)在LN單晶薄膜制備上的首次成功應(yīng)用。2012 年，山東大學(xué)和瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用“Smart-Cut”技術(shù)成功制作了基于LN襯底、二氧化硅(SiO2)隔離層的LN薄膜，所得LNOI完整度高且未破壞LN晶格結(jié)構(gòu)。其具體的實(shí)驗(yàn)制作方法如圖1所示[7]。步驟如下：

1) 在LN基底上嵌入He+，通過(guò)調(diào)整注入溶度和時(shí)間來(lái)改變He+在材料上的嵌入深度。

2) 另取一塊LN基底，在表面上沉積厚約2 μm的SiO2隔離層。

3) 將第1)步得到的LN和第2)步得到的LN晶體進(jìn)行黏合。

4) 由于LN嵌入He+的部位更易被氫氟酸(HF)腐蝕，故利用HF將注入He+的部位腐蝕分離后，就能得到在LN基底和SiO2隔離層上的LN薄膜。

5) 利用高溫退火和拋光得到所需的LNOI[7]。

圖1 LNOI的主要制備工藝流程

然而，這種LNOI結(jié)構(gòu)的襯底為單晶LN晶片，由于LN是一種與CMOS不兼容的寬禁帶絕緣體材料，不能用CMOS代工工藝進(jìn)行加工處理，難以實(shí)現(xiàn)在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝器件上的集成，因此，目前LN集成光子器件仍主要基于傳統(tǒng)離子交換技術(shù)、飛秒(fs)激光直寫技術(shù)和機(jī)械切片技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)與Si光子或III-V族光子器件采用的現(xiàn)代光刻技術(shù)或代工加工技術(shù)截然不同，盡管目前已能實(shí)現(xiàn)高性能的LN器件，但LN集成光子技術(shù)的發(fā)展仍落后于III-V族半導(dǎo)體集成光學(xué)和Si光子集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。Si不僅是微電子學(xué)中最重要的基礎(chǔ)材料，且在集成光學(xué)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用，將Si和LNOI進(jìn)行異質(zhì)集成以實(shí)現(xiàn)Si基LNOI，則可以同時(shí)發(fā)揮LN和Si在高速光子芯片和CMOS電路方面的優(yōu)勢(shì)，為L(zhǎng)N光路和Si CMOS電路實(shí)現(xiàn)光電混合集成提供一個(gè)有前景的平臺(tái)。

2016年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用室溫鍵合工藝實(shí)現(xiàn)了無(wú)中間層Si單晶薄膜與LNOI的直接鍵合，實(shí)現(xiàn)在Si襯底上的LNOI厚度達(dá)到幾百納米。然后，他們采用深紫外光刻工藝成功制作了混合光子波導(dǎo)[27]，該項(xiàng)研究驗(yàn)證了用于Si光子的晶圓級(jí)代工工藝可用于實(shí)現(xiàn)集成LN光子器件，為發(fā)展Si/LN集成器件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 集成LN光子器件技術(shù)

LNOI作為一種新興的光子芯片材料正使LN產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的變革，從而能夠?qū)崿F(xiàn)具有更高性能、更低成本的全新器件及應(yīng)用。目前基于LNOI的集成光子器件的研究熱點(diǎn)主要包括高速電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器及光學(xué)頻率梳等。

2.1 LNOI電光調(diào)制器

光調(diào)制技術(shù)是現(xiàn)代高速通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中不可缺少的一環(huán)。LN調(diào)制器是構(gòu)建高速光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，具有寬帶可調(diào),消光比高,技術(shù)成熟和易于工業(yè)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著5G網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、VR、數(shù)據(jù)通信與高清視頻等業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，帶動(dòng)核心光網(wǎng)絡(luò)向超高速和超遠(yuǎn)距離傳輸升級(jí)，對(duì)承載海量信息的光通信骨干網(wǎng)的需求也提出了更高的要求。但是受限于LN材料中的自由載流子效應(yīng)，傳統(tǒng)LN基電光調(diào)制器的信號(hào)質(zhì)量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關(guān)鍵性能參數(shù)的提升逐漸遭遇瓶頸；此外，傳統(tǒng)LN基電光調(diào)制器與CMOS工藝不兼容，不能滿足光電系統(tǒng)小型化、集成化的發(fā)展需求。LNOI具有高單晶性、與襯底間折射率對(duì)比大等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒐鈭?chǎng)約束在亞微米尺度傳輸，極大地提高了電場(chǎng)與光場(chǎng)的重疊度，有利于器件尺寸的微縮，為解決光電子系統(tǒng)小型化、集成化提供了有效的技術(shù)途徑。新型鈮酸鋰集成電光調(diào)制器結(jié)合了成熟的硅光子技術(shù)和單晶鈮酸鋰薄膜的優(yōu)良特性，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸、高速率和低調(diào)制電壓的調(diào)制目標(biāo)，將在未來(lái)高速通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

2018年，哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、諾基亞-貝爾實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)香港城市大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用LNOI研制出Si基單片集成LN電光調(diào)制器[18]。該項(xiàng)研究最大的突破在于采用先進(jìn)的納米制造工藝成功縮小了調(diào)制器的尺寸，實(shí)現(xiàn)的器件長(zhǎng)度5 mm，表面面積只有傳統(tǒng)調(diào)制器的1/100，但數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)210 Gbits/s，數(shù)據(jù)帶寬由35 GHz提升至100 GHz，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)調(diào)制器的數(shù)據(jù)傳輸速度和效率；半波電壓只有1.4 V，光損耗為0.5 dB，僅為傳統(tǒng)電光調(diào)制器的1/10，因而具有耗電低、光損耗極低的優(yōu)點(diǎn)。圖2是與CMOS工藝兼容的Si基集成LNOI電光調(diào)制器芯片示意圖。這項(xiàng)研究采用單片集成LN 光子器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低半波電壓和超大電光(EO)帶寬的LNOI電光調(diào)制器，這種可擴(kuò)展的電光調(diào)制器不僅能為下一代光通信網(wǎng)絡(luò)和微波光子系統(tǒng)提供低成本、低功耗和超高速解決方案，還能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒時(shí)間尺度的可重構(gòu)、大規(guī)模、超低損耗光子電路，在量子光子學(xué)吉赫茲大規(guī)模開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、微波光子學(xué)光域無(wú)線電信號(hào)處理、自感知光網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)涔庾与娐泛凸庾由窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有潛在的重大應(yīng)用前景。

圖2 集成LNOI電光調(diào)制器

LNOI電光調(diào)制器工藝較復(fù)雜,且不便于接入現(xiàn)有的集成光學(xué)系統(tǒng)，但硅光子工藝已發(fā)展成熟并獲得了商業(yè)應(yīng)用。若能實(shí)現(xiàn)薄膜光波導(dǎo)與成熟的SOI光波導(dǎo)的混合集成，從而將LNOI材料納入Si光子集成系統(tǒng)中，則將能夠?qū)崿F(xiàn)Si基LN調(diào)制器與其他集成光學(xué)器件的片上互連，在未來(lái)更有利于構(gòu)建高集成度、高速光通信網(wǎng)絡(luò)，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。超越Si光子的Si/LN混合集成電光調(diào)制器已成為L(zhǎng)N電光調(diào)制器新的發(fā)展方向。

2018～2019年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在Si光子平臺(tái)上，采用常規(guī)光刻工藝和晶圓加工工藝實(shí)現(xiàn)了Si/LN混合集成的馬赫-曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器[19-20]。制作器件的LNOI晶圓來(lái)自中國(guó)濟(jì)南晶正電子科技有限公司，工藝上采用桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的多項(xiàng)目晶圓(MPW)Si光子工藝技術(shù)。圖3為器件的制備方法，實(shí)現(xiàn)的混合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器的3 dB電調(diào)制帶寬大于100 GHz，器件的設(shè)計(jì)與制作工藝流程均與Si光子工藝兼容。

圖3 3 dB電調(diào)制帶寬大于100 GHz的Si/LN混合集成電光調(diào)制器

2020年，中國(guó)中山大學(xué)的研究人員采用內(nèi)嵌SOI光波導(dǎo)和脊形結(jié)構(gòu)LN薄膜光波導(dǎo)相結(jié)合的方法，在LN薄膜下方放置錐形硅波導(dǎo)，將光完全耦合入脊形LN波導(dǎo)(見(jiàn)圖4[21])，最終研制出的Si/LN電光調(diào)制器帶寬達(dá)到60 GHz，半波電壓2.25 V，消光比達(dá)40 dB，調(diào)制器芯片插入損耗降至2 dB，調(diào)制速率高達(dá)120 Gbits/s。

圖4 Si/LN電光調(diào)制器

2.2 LNOI聲光調(diào)制器

無(wú)論是傳統(tǒng)通信還是未來(lái)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)與全球量子網(wǎng)絡(luò)的連接，微波信號(hào)和光信號(hào)之間的高效轉(zhuǎn)換都具有重大的應(yīng)用意義。與電磁介導(dǎo)法相比，采用機(jī)械/聲學(xué)介導(dǎo)法具有更高的品質(zhì)因數(shù)(Q)和更小的模式體積，這將成為一種新興的微波-光信號(hào)轉(zhuǎn)換的有效替代方案。目前已實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在自由空間法布里-珀羅腔體內(nèi)采用膜片懸浮結(jié)構(gòu)能夠獲得令人滿意的轉(zhuǎn)換效率[22]，但能否實(shí)現(xiàn)器件的大規(guī)模集成仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。采用納米尺度的壓電光力學(xué)晶體(OMCs)雖為微波-光信號(hào)轉(zhuǎn)換器提供了全集成平臺(tái)[23-24]，但卻存在微波-光信號(hào)轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、加州理工學(xué)院的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于LNOI的集成聲光馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器，如圖5所示[25]。利用這種聲光(AO)調(diào)制器進(jìn)行了片上微波-光信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，AO調(diào)制器的微波-聲信號(hào)轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%，提高了微波-光信號(hào)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率；器件的半波電壓為3.9 V，半波電壓長(zhǎng)度積為0.15 V·cm，只有目前最先進(jìn)的電光調(diào)制器的1/10。研制的AO調(diào)制器不僅可用于微波-光信號(hào)轉(zhuǎn)換器，還可用于光模式轉(zhuǎn)換、片上光路由器、光脈沖合成器及吉赫茲光學(xué)頻率梳，提高了系統(tǒng)性能并降低了所需的微波功率。

圖5 懸浮LN薄膜上的集成AO器件

2.3 LNOI光學(xué)頻率梳

光學(xué)頻率梳(OFC)在本質(zhì)上是一種頻率精確穩(wěn)定的鎖模激光脈沖光源，在時(shí)域中為等間隔、等幅度的超短脈沖序列，在頻域中則為規(guī)則且等間隔的梳齒線，相鄰梳齒間的間隔(一般處于射頻波段)精確地等于脈沖序列的重復(fù)頻率。光頻梳在時(shí)間-頻譜上均具有極高的分辨率和穩(wěn)定性，在光譜成像、光學(xué)原子鐘、高精度全球定位系統(tǒng)、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

LNOI微環(huán)諧振器是一種光波導(dǎo)器件，其具有損耗小，成本低，結(jié)構(gòu)緊湊及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，并與CMOS工藝有很高的兼容性，易與其他光電器件實(shí)現(xiàn)單片集成，在光頻梳領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2019年，哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和斯坦福大學(xué)愛(ài)德華金斯頓實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于LNOI微環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)的寬帶光頻梳，如圖6所示[26]。光頻梳的梳齒帶寬大于80 nm，梳齒線大于900條，光輸入1 550 nm，重復(fù)率約10 GHz，能夠產(chǎn)生寬且穩(wěn)定的梳齒頻譜。

圖6 集成電光頻率梳

3 總結(jié)與展望

鈮酸鋰單晶薄膜(LNOI)具備諸多傳統(tǒng)光子材料的高速電光調(diào)控、超低損耗、易實(shí)現(xiàn)高效異構(gòu)集成等優(yōu)越性能，為L(zhǎng)N光路與Si CMOS電路實(shí)現(xiàn)光電混合集成提供了平臺(tái)。因此，基于LNOI的集成鈮酸鋰光子器件正處于快速發(fā)展階段，結(jié)合LN 本身的多功能性和更豐富的微納加工工藝，類型多樣、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的多功能集成光子學(xué)系統(tǒng)有望在LNOI 薄膜平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)，未來(lái)在大規(guī)模光子集成、光電集成、微波光子集成等領(lǐng)域?qū)⒕哂兄匾膽?yīng)用價(jià)值。

但是，集成鈮酸鋰光子器件在大規(guī)模量產(chǎn)及LNOI芯片系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等方面仍面臨很大的挑戰(zhàn)。目前報(bào)道的集成鈮酸鋰光子器件制作技術(shù)只適合實(shí)驗(yàn)室原型器件的制備，探索具有代工兼容性的集成鈮酸鋰光子器件批量制造工藝將是未來(lái)集成鈮酸鋰光子器件的重要研究方向。此外，要實(shí)現(xiàn)LNOI芯片系統(tǒng)，除集成鈮酸鋰光子器件外，還需要研制極化控制器、轉(zhuǎn)換器、光源、探測(cè)器及光放大器，但由于LN不具備直接帶隙，因此，LNOI與其他材料的異構(gòu)集成(如III-V半導(dǎo)體、銦磷和鍺)也是未來(lái)集成鈮酸鋰光子器件的研究重點(diǎn)。