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          上海微系統所等開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

          2024-05-09 來(lái)源:上海微系統所 字號:

          5月8日,中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員歐欣團隊在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片》(Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing)為題,發(fā)表在《自然》(Nature)上。

          隨著(zhù)全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”,集成電路芯片性能提升的難度和成本越來(lái)越高,人們迫切尋找新的技術(shù)方案。以硅光技術(shù)和薄膜鈮酸鋰光子技術(shù)為代表的集成光電技術(shù)可以應對這一問(wèn)題。其中,鈮酸鋰有“光學(xué)硅”之稱(chēng),近年來(lái)備受關(guān)注。

          與鈮酸鋰類(lèi)似,歐欣團隊與合作者證明單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉換特性,在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產(chǎn)生等方面比鈮酸鋰更具優(yōu)勢。此外,硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓的制備工藝與絕緣體上的硅更接近,因此鉭酸鋰薄膜可實(shí)現低成本和規?;圃?,具有應用價(jià)值。

          歐欣團隊采用基于“萬(wàn)能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù),通過(guò)氫離子注入結合晶圓鍵合的方法,制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。進(jìn)一步,合作團隊開(kāi)發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法,使對應器件的光學(xué)損耗降低至5.6 dB m-1,這低于其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值。該研究結合晶圓級流片工藝,探討了鉭酸鋰材料內低雙折射對于模式交叉的有效抑制,并驗證了可以應用于整個(gè)通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。鉭酸鋰光子芯片展現出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調制效率;同時(shí),基于鉭酸鋰光子芯片,該研究首次在X切型電光平臺中產(chǎn)生了孤子光學(xué)頻率梳,結合電光可調諧性質(zhì),有望在激光雷達和精密測量等方面實(shí)現應用。當前,該研究已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù),為更大規模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動(dòng)終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了材料基礎。

          歐欣介紹:“相較于薄膜鈮酸鋰,薄膜鉭酸鋰更易制備,且制備效率更高。同時(shí),鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調制、弱雙折射、更強的抗光折變特性,這種先天的材料優(yōu)勢擴展了鉭酸鋰平臺的光學(xué)設計自由度。”

          上述成果的第一完成單位為上海微系統所。該工作由上海微系統所和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作完成。

          上海微系統所等開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

          鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓制備及高性能光子芯片示意圖

          上海微系統所等開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

          (a)硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓(b)薄膜鉭酸鋰光學(xué)波導制備工藝及波導的掃描透鏡顯微鏡

          上海微系統所等開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

          (a)鉭酸鋰彎曲波導、(b)鈮酸鋰彎曲波導的色散曲線(xiàn)設計(實(shí)線(xiàn))與實(shí)際色散曲線(xiàn)(散點(diǎn)),可觀(guān)察到鈮酸鋰波導色散曲線(xiàn)中明顯的模式交叉效應

          上海微系統所等開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

          (a)薄膜鉭酸鋰電光調制器;(b)首次實(shí)現X切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳

          上海微系統所等開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

          8英寸硅基薄膜鉭酸鋰晶圓制備

          主題閱讀: 光電技術(shù)  射頻芯片
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