一种新型低成本、高效率光子集成电路

光子集成电路（PIC）在单个芯片上集成了多种光学器件和功能，它的快速发展给光通信和计算系统带来了革命性的变化。

几十年来，硅基光子集成电路凭借其成本效益以及与现有半导体制造技术的集成，一直在这一领域占据主导地位，尽管它们在电光调制带宽方面存在局限性。尽管如此，硅绝缘体光收发器芯片还是成功地实现了商业化，通过现代数据中心的数百万根玻璃纤维推动了信息流。

最近，绝缘体上的铌酸锂晶片平台因其强大的波克尔斯系数而成为光子集成电光调制器的上佳材料。然而，高昂的成本和复杂的生产要求使得铌酸锂无法得到更广泛的应用，限制了其商业集成。

钽酸锂（LiTaO3）是铌酸锂的近亲，有望克服这些障碍。钽酸锂（LiTaO3）是铌酸锂的近亲，有望克服这些障碍。钽酸锂（LiTaO3）具有类似的优异电光质量，但在可扩展性和成本方面比铌酸锂更具优势，因为它已被电信行业广泛用于 5G 射频滤波器。

现在，EPFL 的 Tobias J. Kippenberg 教授和上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导的科学家们创建了一种基于钽酸锂的新型 PIC 平台。这种 PIC 充分利用了材料的固有优势，使高质量 PIC 在经济上更加可行，从而改变了这一领域。这一突破发表在《自然》杂志上。

钽酸锂光子集成电路

研究人员为钽酸锂开发了一种与硅绝缘体生产线兼容的晶片键合方法。然后，他们用类金刚石碳掩蔽了薄膜钽酸锂晶片，并着手蚀刻光波导、调制器和超高品质因数微谐振器。

蚀刻是通过结合深紫外线（DUV）光刻技术和干蚀刻技术来实现的，这些技术最初是针对铌酸锂开发的，后来经过仔细调整，用于蚀刻硬度更高、惰性更强的钽酸锂。这种调整包括优化蚀刻参数，以尽量减少光损耗，这是实现光子电路高性能的关键因素。

利用这种方法，研究小组能够制造出高效率的钽酸锂 PIC，在电信波长下的光损耗率仅为 5.6 dB/m。另一个亮点是电光马赫-泽恩德调制器（MZM），这是当今高速光纤通信中广泛使用的一种设备。钽酸锂 MZM 的半波压长积为 1.9 V cm，电光带宽达到 40 GHz。

该研究的第一作者王成利说：“在保持高效电光性能的同时，我们还在这一平台上产生了孤子微蜂窝。这些孤子微蜂窝具有大量的相干频率，与电光调制功能相结合，特别适用于并行相干激光雷达和光子计算等应用。”

钽酸锂 PIC 的双折射（折射率对光偏振和传播方向的依赖性）降低，可实现高密度电路配置，确保在所有电信频段都具有广泛的操作能力。这项工作为可扩展、高成本效益地制造先进的电子光学 PIC 铺平了道路。

相关链接：https://techxplore.com/news/2024-05-high-efficiency-photonic-circuit.html 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07369-1