我國科學家實現鉭酸鋰集成光子芯片批量製造

5月8日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）研究員歐欣團隊與瑞士洛桑聯邦理工學院Tobias Kippenberg團隊合作，在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片製備領域取得突破性進展。上海微系統所已率先攻關8英寸晶圓製備技術，爲更大規模的國產光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發展奠定了核心材料基礎。相關成果以《可批量製造的鉭酸鋰集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）爲題，發表於國際學術期刊《自然》。

隨着全球集成電路產業發展進入“後摩爾時代”，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方案。以硅光技術和薄膜鈮酸鋰光子技術爲代表的集成光電技術成爲應對此瓶頸問題的顛覆性技術。

其中，鈮酸鋰被稱爲光子時代的“光學硅”材料，因其自身機械性能穩定、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點，被廣泛應用於高性能濾波器、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異的電光轉換特性，且在雙折射、透明窗口範圍、抗光折變、頻率梳產生等方面相比鈮酸鋰更具優勢。此外，硅基鉭酸鋰異質晶圓（LTOI）的製備工藝與絕緣體上的硅（SOI）更加接近，因此，鉭酸鋰薄膜可實現低成本和規模化製造，具有極高的應用價值。

歐欣團隊採用基於“萬能離子刀”的異質集成技術，通過離子注入結合晶圓鍵合的方法，製備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓。進一步，與合作團隊聯合開發了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，對應器件的光學損耗低於已知的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值。

結合晶圓級流片工藝，研究人員探索了鉭酸鋰材料內低雙折射對於模式交叉的有效抑制，並驗證了可以應用於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出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調製效率，同時基於鉭酸鋰光子芯片，研究團隊首次在X切型電光平臺中成功產生了孤子光學頻率梳，結合其電光可調諧性質，有望在激光雷達、精密測量等方面實現應用。

歐欣介紹，相較於薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易製備，且製備效率更高。同時，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調製、弱雙折射、更強的抗光折變特性，這種先天的材料優勢極大地擴展了鉭酸鋰平臺的光學設計自由度。

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