集成鈮酸鋰光子器件技術的研究進展

張 濤，何 杰，胡少勤，許 昕，張玉蕾

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；2.中國電子科技集團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，其不僅具有穩定的化學性質，基本不與常見的強酸/強堿反應，且熱穩定性好，即使在1 000 ℃以上也不會發生分解，是一種重要的、不斷開辟新應用領域的無機非金屬多功能晶體材料。LN晶體已廣泛應用于微聲聲表面波(Micro-Acoustic SAW)器件、紅外探測器、激光調制器、光通訊調制器、光學開關、光參量振蕩器、集成光學元件、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、光波導基片和光隔離器等方面，且在光子海量存儲、光學集成等領域也有著廣闊的應用前景，被譽為光電子時代的“光學硅”[1]。

采用LN單晶塊材制作的傳統LN光電器件，其體積大，難以實現硅基微系統集成。在器件向集成化、微型化發展的趨勢下，為了實現光電器件的片上集成，迫切需求高質量 LN薄膜材料。采用傳統方法生長的LN薄膜存在取向控制難，生長溫度過高及鋰(Li)揮發引起化學計量比偏析等技術難題[2]，導致制備的LN薄膜擇優取向度差、缺陷密度高且薄膜為多晶薄膜，性能遠低于單晶塊材。近年來，為滿足下一代光電器件在集成化、小型化發展趨勢下對高品質 LN薄膜材料的迫切需求，采用離子注入技術和晶圓直接鍵合技術相結合的“Smart-Cut”薄膜轉移制備工藝制備出絕緣體上LN單晶薄膜(LNOI)并獲得了應用。LNOI技術是一項革命性技術，使得實現具有更高性能、更低成本的全新光電子器件和應用成為可能，這為研制集成光子器件提供了新的解決途徑和方案[3-14]。哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院在一項關于LN的研究報告中對LNOI如此評價：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，光子革命的發源地就將會以LN材料而命名為“鈮谷(Lithium Niobate Valley)”[15]。基于LNOI的集成光子器件技術是一種能與硅光子技術兼容的混合集成技術，實現的器件具有體積小，質量小，工作頻率高，易制作和IC集成的優點，市場應用前景廣闊，現已成為國內外的研究熱點。本文綜合研究了基于LNOI的集成光子器件的最新研究進展、未來發展趨勢，并討論了集成LN光子器件目前面臨的挑戰。

1 LNOI的制備及發展

在低折射率的介質材料上制備出高性能的LNOI是實現集成鈮光子器件的關鍵，但傳統制備LN薄膜的方法，如化學氣相沉積法、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，難以生產出高結晶質量的LN薄膜且只能獲得多晶薄膜，而外延生長的LN薄膜不僅結晶質量難與單晶LN晶圓相媲美，且由于晶格匹配的限制，對襯底材料的特性有著嚴格要求。

近年來，采用離子注入技術與直接鍵合技術相結合的方法制備晶體離子切片已成為非常有前景的技術[5]。這種稱之為“Smart-Cut”的技術最初由法國SOITEC公司開發[16]，應用于制造絕緣體上硅(SOI)晶圓。“Smart-Cut”技術的特點是保留了載體底物，使用He+注入和晶圓鍵合工藝能夠實現大面積單晶薄膜的轉移制備，其最大的優勢是能夠制備出任意切型的高質量單晶薄膜材料,且剝離的注入基片可重復使用，提高了材料的利用率，節約了生產成本。目前，離子注入剝離轉移技術已成為制備SOI的主流技術，采用離子注入剝離技術制備的SOI晶圓材料已獲得成熟的商業應用。

為了克服傳統生長法制備LN薄膜存在的如缺Li相、薄膜擇優取向度差、缺陷密度高且薄膜為多晶薄膜等缺點，1998年，M. Levy等[17]把制作SOI晶圓的離子注入剝離技術用于制備LNOI，他們采用在LN晶片表面注入He+，然后對其進行側面腐蝕并獲得單晶LN 薄膜。2004年，P. Rabiei等利用離子注入技術和直接鍵合技術相結合的方法，制作出單晶LN薄膜[4]，即“絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)”，這是“Smart-Cut”技術在LN單晶薄膜制備上的首次成功應用。2012 年，山東大學和瑞士聯邦理工大學的聯合研究團隊利用“Smart-Cut”技術成功制作了基于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晶格結構。其具體的實驗制作方法如圖1所示[7]。步驟如下：

1) 在LN基底上嵌入He+，通過調整注入溶度和時間來改變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結構的襯底為單晶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代工工藝進行加工處理，難以實現在微機電系統(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離子交換技術、飛秒(fs)激光直寫技術和機械切片技術等實現。這些技術與Si光子或III-V族光子器件采用的現代光刻技術或代工加工技術截然不同，盡管目前已能實現高性能的LN器件，但LN集成光子技術的發展仍落后于III-V族半導體集成光學和Si光子集成光學技術的發展。Si不僅是微電子學中最重要的基礎材料，且在集成光學領域也有著重要的應用，將Si和LNOI進行異質集成以實現Si基LNOI，則可以同時發揮LN和Si在高速光子芯片和CMOS電路方面的優勢，為LN光路和Si CMOS電路實現光電混合集成提供一個有前景的平臺。

2016年，美國加州大學圣地亞哥分校和桑迪亞國家實驗室的聯合研究團隊采用室溫鍵合工藝實現了無中間層Si單晶薄膜與LNOI的直接鍵合，實現在Si襯底上的LNOI厚度達到幾百納米。然后，他們采用深紫外光刻工藝成功制作了混合光子波導[27]，該項研究驗證了用于Si光子的晶圓級代工工藝可用于實現集成LN光子器件，為發展Si/LN集成器件奠定了堅實的基礎。

2 集成LN光子器件技術

LNOI作為一種新興的光子芯片材料正使LN產業發生革命性的變革，從而能夠實現具有更高性能、更低成本的全新器件及應用。目前基于LNOI的集成光子器件的研究熱點主要包括高速電光調制器、聲光調制器及光學頻率梳等。

2.1 LNOI電光調制器

光調制技術是現代高速通信網絡構建中不可缺少的一環。LN調制器是構建高速光通信網絡的關鍵器件，具有寬帶可調,消光比高,技術成熟和易于工業大批量生產等優點，在現代通信網絡中得到廣泛的應用。隨著5G網絡、云計算、VR、數據通信與高清視頻等業務的高速發展，帶動核心光網絡向超高速和超遠距離傳輸升級，對承載海量信息的光通信骨干網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，傳統LN基電光調制器的信號質量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關鍵性能參數的提升逐漸遭遇瓶頸；此外，傳統LN基電光調制器與CMOS工藝不兼容，不能滿足光電系統小型化、集成化的發展需求。LNOI具有高單晶性、與襯底間折射率對比大等優勢，能夠將光場約束在亞微米尺度傳輸，極大地提高了電場與光場的重疊度，有利于器件尺寸的微縮，為解決光電子系統小型化、集成化提供了有效的技術途徑。新型鈮酸鋰集成電光調制器結合了成熟的硅光子技術和單晶鈮酸鋰薄膜的優良特性，能夠實現小尺寸、高速率和低調制電壓的調制目標，將在未來高速通信網絡中發揮重要作用。

2018年，哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院、諾基亞-貝爾實驗室與中國香港城市大學的聯合研究團隊采用LNOI研制出Si基單片集成LN電光調制器[18]。該項研究最大的突破在于采用先進的納米制造工藝成功縮小了調制器的尺寸，實現的器件長度5 mm，表面面積只有傳統調制器的1/100，但數據傳輸速度高達210 Gbits/s，數據帶寬由35 GHz提升至100 GHz，遠高于傳統調制器的數據傳輸速度和效率；半波電壓只有1.4 V，光損耗為0.5 dB，僅為傳統電光調制器的1/10，因而具有耗電低、光損耗極低的優點。圖2是與CMOS工藝兼容的Si基集成LNOI電光調制器芯片示意圖。這項研究采用單片集成LN 光子器件同時實現了低半波電壓和超大電光(EO)帶寬的LNOI電光調制器，這種可擴展的電光調制器不僅能為下一代光通信網絡和微波光子系統提供低成本、低功耗和超高速解決方案，還能夠實現皮秒時間尺度的可重構、大規模、超低損耗光子電路，在量子光子學吉赫茲大規模開關網絡、微波光子學光域無線電信號處理、自感知光網絡、拓撲光子電路和光子神經網絡等領域具有潛在的重大應用前景。

圖2 集成LNOI電光調制器

LNOI電光調制器工藝較復雜,且不便于接入現有的集成光學系統，但硅光子工藝已發展成熟并獲得了商業應用。若能實現薄膜光波導與成熟的SOI光波導的混合集成，從而將LNOI材料納入Si光子集成系統中，則將能夠實現Si基LN調制器與其他集成光學器件的片上互連，在未來更有利于構建高集成度、高速光通信網絡，具有良好的市場應用前景。超越Si光子的Si/LN混合集成電光調制器已成為LN電光調制器新的發展方向。

2018～2019年，美國加州大學圣地亞哥分校、桑迪亞國家實驗室和加州理工學院噴氣推進實驗室(JPL)的聯合研究團隊在Si光子平臺上，采用常規光刻工藝和晶圓加工工藝實現了Si/LN混合集成的馬赫-曾德爾電光調制器[19-20]。制作器件的LNOI晶圓來自中國濟南晶正電子科技有限公司，工藝上采用桑迪亞國家實驗室的多項目晶圓(MPW)Si光子工藝技術。圖3為器件的制備方法，實現的混合結構電光調制器的3 dB電調制帶寬大于100 GHz，器件的設計與制作工藝流程均與Si光子工藝兼容。

圖3 3 dB電調制帶寬大于100 GHz的Si/LN混合集成電光調制器

2020年，中國中山大學的研究人員采用內嵌SOI光波導和脊形結構LN薄膜光波導相結合的方法，在LN薄膜下方放置錐形硅波導，將光完全耦合入脊形LN波導(見圖4[21])，最終研制出的Si/LN電光調制器帶寬達到60 GHz，半波電壓2.25 V，消光比達40 dB，調制器芯片插入損耗降至2 dB，調制速率高達120 Gbits/s。

圖4 Si/LN電光調制器

2.2 LNOI聲光調制器

無論是傳統通信還是未來的超導量子計算機與全球量子網絡的連接，微波信號和光信號之間的高效轉換都具有重大的應用意義。與電磁介導法相比，采用機械/聲學介導法具有更高的品質因數(Q)和更小的模式體積，這將成為一種新興的微波-光信號轉換的有效替代方案。目前已實驗驗證了在自由空間法布里-珀羅腔體內采用膜片懸浮結構能夠獲得令人滿意的轉換效率[22]，但能否實現器件的大規模集成仍面臨巨大的挑戰。采用納米尺度的壓電光力學晶體(OMCs)雖為微波-光信號轉換器提供了全集成平臺[23-24]，但卻存在微波-光信號轉換效率低的問題。為了解決這個問題，哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院、加州理工學院的聯合研究團隊提出了一種基于LNOI的集成聲光馬赫-曾德爾調制器，如圖5所示[25]。利用這種聲光(AO)調制器進行了片上微波-光信號轉換實驗驗證，AO調制器的微波-聲信號轉換效率達90%，提高了微波-光信號轉換器的轉換效率；器件的半波電壓為3.9 V，半波電壓長度積為0.15 V·cm，只有目前最先進的電光調制器的1/10。研制的AO調制器不僅可用于微波-光信號轉換器，還可用于光模式轉換、片上光路由器、光脈沖合成器及吉赫茲光學頻率梳，提高了系統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光學頻率梳

光學頻率梳(OFC)在本質上是一種頻率精確穩定的鎖模激光脈沖光源，在時域中為等間隔、等幅度的超短脈沖序列，在頻域中則為規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頻率。光頻梳在時間-頻譜上均具有極高的分辨率和穩定性，在光譜成像、光學原子鐘、高精度全球定位系統、激光雷達等領域有著重要的應用。

LNOI微環諧振器是一種光波導器件，其具有損耗小，成本低，結構緊湊及集成度高等優點，并與CMOS工藝有很高的兼容性，易與其他光電器件實現單片集成，在光頻梳領域具有重要的應用價值。

2019年，哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院和斯坦福大學愛德華金斯頓實驗室的聯合團隊報道了基于LNOI微環諧振器實現的寬帶光頻梳，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，重復率約10 GHz，能夠產生寬且穩定的梳齒頻譜。

圖6 集成電光頻率梳

3 總結與展望

鈮酸鋰單晶薄膜(LNOI)具備諸多傳統光子材料的高速電光調控、超低損耗、易實現高效異構集成等優越性能，為LN光路與Si CMOS電路實現光電混合集成提供了平臺。因此，基于LNOI的集成鈮酸鋰光子器件正處于快速發展階段，結合LN 本身的多功能性和更豐富的微納加工工藝，類型多樣、結構更復雜的多功能集成光子學系統有望在LNOI 薄膜平臺上得以實現，未來在大規模光子集成、光電集成、微波光子集成等領域將具有重要的應用價值。

但是，集成鈮酸鋰光子器件在大規模量產及LNOI芯片系統的實現等方面仍面臨很大的挑戰。目前報道的集成鈮酸鋰光子器件制作技術只適合實驗室原型器件的制備，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集成鈮酸鋰光子器件的重要研究方向。此外，要實現LNOI芯片系統，除集成鈮酸鋰光子器件外，還需要研制極化控制器、轉換器、光源、探測器及光放大器，但由于LN不具備直接帶隙，因此，LNOI與其他材料的異構集成(如III-V半導體、銦磷和鍺)也是未來集成鈮酸鋰光子器件的研究重點。