一.背景介紹

進入21世紀后，光子集成技術（PIC）逐漸成為備受關注的課題之一。原因無外乎兩方面：其一，信息技術的應用達到了新的爆炸點，諸如大數據、人工智能、高速網絡、虛擬現實、量子信息等等都對具有低能耗、超高算力、可高速重構的光子器件提出了迫切需求；其二，光子集成技術自身也在不斷突破，片上器件的性能和成本不斷降低，達到了驅動新產業生態的門檻。在這一背景下，薄膜鈮酸鋰逐漸成為一種重要的光子集成材料。

鈮酸鋰（LiNbO3）由于其優異的電光和非線性光學特性、相對較高的折射率和較寬的透明窗口，自20世紀60年代以來一直被廣泛應用于光子學領域。近年來，隨著通過離子切片制備的商業化薄膜鈮酸鋰晶圓的出現，以及加工制備技術的快速發展，基于薄膜鈮酸鋰平臺[1]開發出了一系列光學器件，包括超低損耗可調光波導延時線、超高速光調制器、高效率量子光源，以及高功率片上放大器與片上激光器等。這些器件以其體積小、質量輕、功耗低、性能好的綜合優勢，在光通信、光量子信息處理、光傳感和光學計算等領域具有廣泛的應用前景。它們可以用于實現高速、高容量的光通信系統，提供更穩定和可靠的光量子信息處理，以及實現高精度的光傳感和光學計算。

二.關鍵技術進展

（1）大尺寸光刻技術超低損耗波導加工工藝

多年來，隨著對高密度集成的需求不斷增加，制備高質量的鈮酸鋰薄膜以及在干法蝕刻過程中形成高質量的光子結構成為了一項巨大的挑戰。在大規模的光子集成芯片器件中，實現超低損耗的波導對于獲得令人滿意的性能至關重要。

2014年，哈佛大學提出了電子束曝光結合離子刻蝕技術[2]，該技術與成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容，因此更易獲得推廣應用。如圖1（a）所示，該制備技術路線的核心包括光刻膠曝光（光刻）和離子干法刻蝕兩個主要步驟。通過該技術所制備的薄膜鈮酸鋰波導損耗可低至0.027 dB/cm[3]，因而被廣泛用于薄膜鈮酸鋰原型器件制造中。

2018年，中國科學院上海光機所與華東師范大學提出了飛秒激光直寫輔助化學機械拋光（Photolithography Assisted Chemo-Mechanical Etching，PLACE）技術[4]，目的是在薄膜鈮酸鋰上實現超低損耗光子器件和集成系統的晶圓級光刻制造。如圖1（b）所示，PLACE技術利用飛秒激光直寫來制備鉻掩模，然后通過化學機械拋光來蝕刻鈮酸鋰。利用這項技術制備的波導損耗同樣可以低至0.027 dB/cm[5]。PLACE技術的獨特優勢在于突破了單次連續曝光區域的尺寸限制，并可獲得極低的波導傳輸損耗，這兩項優勢對于實現大規模鈮酸鋰光子芯片并推動其應用具有重要意義。

圖1 （a）利用電子束曝光結合離子束刻蝕的方法制備薄膜鈮酸鋰光子結構的工藝流程示意圖；（b）飛秒激光直寫輔助化學機械拋光（PLACE）制備鈮酸鋰光子芯片的工藝流程圖

（2）多功能可重構薄膜鈮酸鋰光子芯片

在光量子信息處理、量子增強傳感器、光子神經網絡等新興應用中，由級聯馬赫-曾德爾干涉儀組成的可編程線性光子線路變得越發重要。這些新興應用對超大規模光子集成和以具備極低損耗、超高開關速度的光調制器為代表的高性能片上組件提出了嚴格的要求。薄膜鈮酸鋰作為一種重要的光子集成材料，滿足了可編程光子線路提出的所有嚴格的器件要求。

近期，華東師范大學、中國科學院上海光機所在薄膜鈮酸鋰襯底上實現了4×4可編程線性光子運算器[6]。該器件在損耗、功耗和運算速度方面顯示出巨大優勢。圖2（a）展示了可編程線性光子運算器的照片，其中任意SU（4）變換由6個可重構的馬赫-曾德爾干涉儀單元實現。每個馬赫-曾德爾干涉儀單元的內部結構如圖2（b）所示，其插損僅為0.15 dB。該器件在1 MHz調制率下執行運算時，片上總功耗僅為15 µW。如圖2（c）中的直方圖所示，利用該器件執行了200次隨機4×4酉矩陣變換計算，得到的矩陣保真度為0.902±0.021。圖2（d）直接對比了其中一個矩陣運算的理論結果和實驗測量結果，大誤差小于10%。這項工作為實現大規模、低功耗和高性能的光子芯片在前沿經典和量子應用中的應用邁出了重要的一步。

圖2 基于薄膜鈮酸鋰平臺制備的4×4可編程線性光子芯片[6]。（a）任意SU(4)變換矩陣；（b）MZI單元的內部結構；（c）200個隨機矩陣的測量保真度的直方圖；（d）其中一個矩陣的理論與實驗結果的對比

（3）薄膜鈮酸鋰大規模光子集成

對于薄膜鈮酸鋰大規模光子集成，我們考慮一個適用于多種應用場景的代表性器件，并考察其制備可能性與性能極限。在這個假想器件中，我們通過將盡可能多的鈮酸鋰馬赫-曾德爾干涉儀排列成一個網格陣列，放置在單個薄膜鈮酸鋰晶圓上構建光子集成器件[7]。

從技術上講，由于4英寸的薄膜鈮酸鋰晶圓已經商業化可用，我們考慮在4英寸晶圓允許的60 mm×60 mm的方形區域內構建馬赫-曾德爾干涉儀陣列。如圖3（a）所示，在保障鈮酸鋰波導可承受的調制電壓的前提下，薄膜鈮酸鋰上單個馬赫-曾德爾干涉儀的尺寸可以小至0.2 mm×2.5 mm。通過PLACE技術，圖3（b）所示，一個由7200個馬赫-曾德爾干涉儀組成的光子器件將很容易實現。在這樣一個大規模的光子集成芯片器件中，總傳輸損耗預計低可到0.5 dB。此外，如圖3（c）所示，利用PLACE技術，我們能夠以連續光刻方式單次加工預先拼接好的9片鈮酸鋰晶圓，實現超大規模鈮酸鋰光子集成器件的整體圖案化。利用該連續光刻加工技術，可以自動確保不同晶圓中波導陣列間的高精度對準。終，該整體拼接的鈮酸鋰晶圓上的馬赫-曾德爾干涉儀的總數可以達到64800個。

這一集成規模一旦實現，將會根本性地改變光子集成領域的狀況，推動人類智能社會進入一個新的技術時代。這也是2017年，哈佛大學鄭重宣告“Now entering, lithium niobate valley"(人類正在進入鈮酸鋰谷的時代)的信念來源。

圖3（a）基于薄膜鈮酸鋰的馬赫-曾德爾干涉儀的原理圖；（b）4英寸晶圓上制備的7200個馬赫-曾德爾干涉儀陣列組成的光子集成芯片示意圖；（c）利用PLACE技術在9片4英寸晶圓中單次制備的64800個馬赫-曾德爾干涉儀陣列組成的光子集成芯片示意圖

三.總結與展望

集成光子技術長期受到片上光波導高傳輸損耗和高調制功耗的制約，無法持續擴大集成規模。近10年來，薄膜鈮酸鋰光子學的快速發展為改變這一現狀提供了可能。薄膜鈮酸鋰結合先進的微納光子制備技術，已經實現了光子集成領域的一系列突破，使得光子器件在調制帶寬、調制功耗、傳輸損耗、有源無源集成、超大集成規模等方面都有顯著提升。值得一提的是，目前這些性能大都還未達到鈮酸鋰光子器件的物理極限，因此，薄膜鈮酸鋰集成光子技術仍具有廣闊的發展空間。同時，很多薄膜鈮酸鋰光子器件都已接近甚至具備了產業應用的條件，這將為下一代光信息技術發展提供強大驅動力。

參考文獻： 中國光學期刊網

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