科学家成功研发可批量制造新型光子芯片技术

中新网北京5月9日电 (记者 孙自法 郑莹莹)中国科学院最新发布消息说，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所(上海微系统所)、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，最近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，已成功研发并实现可批量制造的新型光子芯片——钽酸锂集成光子芯片，相关研究成果论文于北京时间5月8日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。

研究团队自行设计的钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片示意图。中国科学院上海微系统所/供图

据悉，中国科学院上海微系统所团队孵化的上海新硅聚合半导体有限公司已经具备薄膜钽酸锂异质晶圆量产能力，并开发出8英寸异质集成钽酸锂材料技术，将为更大规模的中国国产光学和射频芯片的发展奠定核心材料基础。

本次研究的8英寸硅基薄膜钽酸锂晶圆制备。中国科学院上海微系统所/供图

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，全球迫切寻找新的技术方案。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是应对此瓶颈问题的颠覆性技术。与铌酸锂类似，中国与瑞士合作团队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的制备工艺与绝缘体上的硅更加接近，因此钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有极高应用价值。

(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。中国科学院上海微系统所/供图

论文共同通讯作者、中国科学院上海微系统所欧欣研究员表示，研究团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢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，随后进一步联合开发出超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法。结合晶圆级流片工艺，研究团队探索发现，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，同时兼具片上实现孤子光学频率梳的独特属性，有望在激光雷达、精密测量等方面实现应用。

(a)钽酸锂弯曲波导；(b)铌酸锂弯曲波导的色散曲线设计(实线)与实际色散曲线(散点)，可观察到铌酸锂波导色散曲线中明显的模式交叉效应。中国科学院上海微系统所/供图

欧欣指出，相较于薄膜铌酸锂，薄膜钽酸锂更易制备，且制备效率更高。此外，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，这些先天材料优势极大扩展了钽酸锂平台的光学设计自由度。

中国科学院上海微系统所介绍说，近十年来，欧欣带领该所异质集成团队集中突破高品质单晶薄膜制备及异质集成共性技术，同时重点布局基于异质集成材料的5G/6G高频声学射频滤波器、高速集成光子器件及高功率电子器件技术。

(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。中国科学院上海微系统所/供图

欧欣团队此次与瑞士洛桑联邦理工学院教授托比亚斯·基彭贝格(Tobias J. Kippenberg)团队携手选择可批量制造的钽酸锂薄膜作为研究对象，挖掘出钽酸锂相较于铌酸锂在光电性能和批量制备方面的更大优势。最新发表于《自然》的相关成果显示，钽酸锂光子芯片所展现出的极低光学损耗、高效电光转换等特性，有望为突破通信领域速度、功耗、频率和带宽四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术。(完)

（原题：中国与瑞士团队合作研发成功可批量制造新型光子芯片技术）