集成铌酸锂光子器件技术的研究进展

张 涛，何 杰，胡少勤，许 昕，张玉蕾

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；2.中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 400060)

0 引言

铌酸锂(LiNbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、声光、电光、光弹、光折变等性能于一体的人工合成多功能材料，其不仅具有稳定的化学性质，基本不与常见的强酸/强碱反应，且热稳定性好，即使在1 000 ℃以上也不会发生分解，是一种重要的、不断开辟新应用领域的无机非金属多功能晶体材料。LN晶体已广泛应用于微声声表面波(Micro-Acoustic SAW)器件、红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件如高分辨的全息存储、光波导基片和光隔离器等方面，且在光子海量存储、光学集成等领域也有着广阔的应用前景，被誉为光电子时代的“光学硅”[1]。

采用LN单晶块材制作的传统LN光电器件，其体积大，难以实现硅基微系统集成。在器件向集成化、微型化发展的趋势下，为了实现光电器件的片上集成，迫切需求高质量 LN薄膜材料。采用传统方法生长的LN薄膜存在取向控制难，生长温度过高及锂(Li)挥发引起化学计量比偏析等技术难题[2]，导致制备的LN薄膜择优取向度差、缺陷密度高且薄膜为多晶薄膜，性能远低于单晶块材。近年来，为满足下一代光电器件在集成化、小型化发展趋势下对高品质 LN薄膜材料的迫切需求，采用离子注入技术和晶圆直接键合技术相结合的“Smart-Cut”薄膜转移制备工艺制备出绝缘体上LN单晶薄膜(LNOI)并获得了应用。LNOI技术是一项革命性技术，使得实现具有更高性能、更低成本的全新光电子器件和应用成为可能，这为研制集成光子器件提供了新的解决途径和方案[3-14]。哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院在一项关于LN的研究报告中对LNOI如此评价：如果电子革命的中心以使其成为可能的硅材料而命名为“硅谷(Silicon Valley)”，那么，光子革命的发源地就将会以LN材料而命名为“铌谷(Lithium Niobate Valley)”[15]。基于LNOI的集成光子器件技术是一种能与硅光子技术兼容的混合集成技术，实现的器件具有体积小，质量小，工作频率高，易制作和IC集成的优点，市场应用前景广阔，现已成为国内外的研究热点。本文综合研究了基于LNOI的集成光子器件的最新研究进展、未来发展趋势，并讨论了集成LN光子器件目前面临的挑战。

1 LNOI的制备及发展

在低折射率的介质材料上制备出高性能的LNOI是实现集成铌光子器件的关键，但传统制备LN薄膜的方法，如化学气相沉积法、射频溅射法、分子束外延法、溶胶-凝胶法和脉冲激光沉积法等，难以生产出高结晶质量的LN薄膜且只能获得多晶薄膜，而外延生长的LN薄膜不仅结晶质量难与单晶LN晶圆相媲美，且由于晶格匹配的限制，对衬底材料的特性有着严格要求。

近年来，采用离子注入技术与直接键合技术相结合的方法制备晶体离子切片已成为非常有前景的技术[5]。这种称之为“Smart-Cut”的技术最初由法国SOITEC公司开发[16]，应用于制造绝缘体上硅(SOI)晶圆。“Smart-Cut”技术的特点是保留了载体底物，使用He+注入和晶圆键合工艺能够实现大面积单晶薄膜的转移制备，其最大的优势是能够制备出任意切型的高质量单晶薄膜材料,且剥离的注入基片可重复使用，提高了材料的利用率，节约了生产成本。目前，离子注入剥离转移技术已成为制备SOI的主流技术，采用离子注入剥离技术制备的SOI晶圆材料已获得成熟的商业应用。

为了克服传统生长法制备LN薄膜存在的如缺Li相、薄膜择优取向度差、缺陷密度高且薄膜为多晶薄膜等缺点，1998年，M. Levy等[17]把制作SOI晶圆的离子注入剥离技术用于制备LNOI，他们采用在LN晶片表面注入He+，然后对其进行侧面腐蚀并获得单晶LN 薄膜。2004年，P. Rabiei等利用离子注入技术和直接键合技术相结合的方法，制作出单晶LN薄膜[4]，即“绝缘体上铌酸锂(LNOI)”，这是“Smart-Cut”技术在LN单晶薄膜制备上的首次成功应用。2012 年，山东大学和瑞士联邦理工大学的联合研究团队利用“Smart-Cut”技术成功制作了基于LN衬底、二氧化硅(SiO2)隔离层的LN薄膜，所得LNOI完整度高且未破坏LN晶格结构。其具体的实验制作方法如图1所示[7]。步骤如下：

1) 在LN基底上嵌入He+，通过调整注入溶度和时间来改变He+在材料上的嵌入深度。

2) 另取一块LN基底，在表面上沉积厚约2 μm的SiO2隔离层。

3) 将第1)步得到的LN和第2)步得到的LN晶体进行黏合。

4) 由于LN嵌入He+的部位更易被氢氟酸(HF)腐蚀，故利用HF将注入He+的部位腐蚀分离后，就能得到在LN基底和SiO2隔离层上的LN薄膜。

5) 利用高温退火和抛光得到所需的LNOI[7]。

图1 LNOI的主要制备工艺流程

然而，这种LNOI结构的衬底为单晶LN晶片，由于LN是一种与CMOS不兼容的宽禁带绝缘体材料，不能用CMOS代工工艺进行加工处理，难以实现在微机电系统(MEMS)工艺器件上的集成，因此，目前LN集成光子器件仍主要基于传统离子交换技术、飞秒(fs)激光直写技术和机械切片技术等实现。这些技术与Si光子或III-V族光子器件采用的现代光刻技术或代工加工技术截然不同，尽管目前已能实现高性能的LN器件，但LN集成光子技术的发展仍落后于III-V族半导体集成光学和Si光子集成光学技术的发展。Si不仅是微电子学中最重要的基础材料，且在集成光学领域也有着重要的应用，将Si和LNOI进行异质集成以实现Si基LNOI，则可以同时发挥LN和Si在高速光子芯片和CMOS电路方面的优势，为LN光路和Si CMOS电路实现光电混合集成提供一个有前景的平台。

2016年，美国加州大学圣地亚哥分校和桑迪亚国家实验室的联合研究团队采用室温键合工艺实现了无中间层Si单晶薄膜与LNOI的直接键合，实现在Si衬底上的LNOI厚度达到几百纳米。然后，他们采用深紫外光刻工艺成功制作了混合光子波导[27]，该项研究验证了用于Si光子的晶圆级代工工艺可用于实现集成LN光子器件，为发展Si/LN集成器件奠定了坚实的基础。

2 集成LN光子器件技术

LNOI作为一种新兴的光子芯片材料正使LN产业发生革命性的变革，从而能够实现具有更高性能、更低成本的全新器件及应用。目前基于LNOI的集成光子器件的研究热点主要包括高速电光调制器、声光调制器及光学频率梳等。

2.1 LNOI电光调制器

光调制技术是现代高速通信网络构建中不可缺少的一环。LN调制器是构建高速光通信网络的关键器件，具有宽带可调,消光比高,技术成熟和易于工业大批量生产等优点，在现代通信网络中得到广泛的应用。随着5G网络、云计算、VR、数据通信与高清视频等业务的高速发展，带动核心光网络向超高速和超远距离传输升级，对承载海量信息的光通信骨干网的需求也提出了更高的要求。但是受限于LN材料中的自由载流子效应，传统LN基电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈；此外，传统LN基电光调制器与CMOS工艺不兼容，不能满足光电系统小型化、集成化的发展需求。LNOI具有高单晶性、与衬底间折射率对比大等优势，能够将光场约束在亚微米尺度传输，极大地提高了电场与光场的重叠度，有利于器件尺寸的微缩，为解决光电子系统小型化、集成化提供了有效的技术途径。新型铌酸锂集成电光调制器结合了成熟的硅光子技术和单晶铌酸锂薄膜的优良特性，能够实现小尺寸、高速率和低调制电压的调制目标，将在未来高速通信网络中发挥重要作用。

2018年，哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院、诺基亚-贝尔实验室与中国香港城市大学的联合研究团队采用LNOI研制出Si基单片集成LN电光调制器[18]。该项研究最大的突破在于采用先进的纳米制造工艺成功缩小了调制器的尺寸，实现的器件长度5 mm，表面面积只有传统调制器的1/100，但数据传输速度高达210 Gbits/s，数据带宽由35 GHz提升至100 GHz，远高于传统调制器的数据传输速度和效率；半波电压只有1.4 V，光损耗为0.5 dB，仅为传统电光调制器的1/10，因而具有耗电低、光损耗极低的优点。图2是与CMOS工艺兼容的Si基集成LNOI电光调制器芯片示意图。这项研究采用单片集成LN 光子器件同时实现了低半波电压和超大电光(EO)带宽的LNOI电光调制器，这种可扩展的电光调制器不仅能为下一代光通信网络和微波光子系统提供低成本、低功耗和超高速解决方案，还能够实现皮秒时间尺度的可重构、大规模、超低损耗光子电路，在量子光子学吉赫兹大规模开关网络、微波光子学光域无线电信号处理、自感知光网络、拓扑光子电路和光子神经网络等领域具有潜在的重大应用前景。

图2 集成LNOI电光调制器

LNOI电光调制器工艺较复杂,且不便于接入现有的集成光学系统，但硅光子工艺已发展成熟并获得了商业应用。若能实现薄膜光波导与成熟的SOI光波导的混合集成，从而将LNOI材料纳入Si光子集成系统中，则将能够实现Si基LN调制器与其他集成光学器件的片上互连，在未来更有利于构建高集成度、高速光通信网络，具有良好的市场应用前景。超越Si光子的Si/LN混合集成电光调制器已成为LN电光调制器新的发展方向。

2018～2019年，美国加州大学圣地亚哥分校、桑迪亚国家实验室和加州理工学院喷气推进实验室(JPL)的联合研究团队在Si光子平台上，采用常规光刻工艺和晶圆加工工艺实现了Si/LN混合集成的马赫-曾德尔电光调制器[19-20]。制作器件的LNOI晶圆来自中国济南晶正电子科技有限公司，工艺上采用桑迪亚国家实验室的多项目晶圆(MPW)Si光子工艺技术。图3为器件的制备方法，实现的混合结构电光调制器的3 dB电调制带宽大于100 GHz，器件的设计与制作工艺流程均与Si光子工艺兼容。

图3 3 dB电调制带宽大于100 GHz的Si/LN混合集成电光调制器

2020年，中国中山大学的研究人员采用内嵌SOI光波导和脊形结构LN薄膜光波导相结合的方法，在LN薄膜下方放置锥形硅波导，将光完全耦合入脊形LN波导(见图4[21])，最终研制出的Si/LN电光调制器带宽达到60 GHz，半波电压2.25 V，消光比达40 dB，调制器芯片插入损耗降至2 dB，调制速率高达120 Gbits/s。

图4 Si/LN电光调制器

2.2 LNOI声光调制器

无论是传统通信还是未来的超导量子计算机与全球量子网络的连接，微波信号和光信号之间的高效转换都具有重大的应用意义。与电磁介导法相比，采用机械/声学介导法具有更高的品质因数(Q)和更小的模式体积，这将成为一种新兴的微波-光信号转换的有效替代方案。目前已实验验证了在自由空间法布里-珀罗腔体内采用膜片悬浮结构能够获得令人满意的转换效率[22]，但能否实现器件的大规模集成仍面临巨大的挑战。采用纳米尺度的压电光力学晶体(OMCs)虽为微波-光信号转换器提供了全集成平台[23-24]，但却存在微波-光信号转换效率低的问题。为了解决这个问题，哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院、加州理工学院的联合研究团队提出了一种基于LNOI的集成声光马赫-曾德尔调制器，如图5所示[25]。利用这种声光(AO)调制器进行了片上微波-光信号转换实验验证，AO调制器的微波-声信号转换效率达90%，提高了微波-光信号转换器的转换效率；器件的半波电压为3.9 V，半波电压长度积为0.15 V·cm，只有目前最先进的电光调制器的1/10。研制的AO调制器不仅可用于微波-光信号转换器，还可用于光模式转换、片上光路由器、光脉冲合成器及吉赫兹光学频率梳，提高了系统性能并降低了所需的微波功率。

图5 悬浮LN薄膜上的集成AO器件

2.3 LNOI光学频率梳

光学频率梳(OFC)在本质上是一种频率精确稳定的锁模激光脉冲光源，在时域中为等间隔、等幅度的超短脉冲序列，在频域中则为规则且等间隔的梳齿线，相邻梳齿间的间隔(一般处于射频波段)精确地等于脉冲序列的重复频率。光频梳在时间-频谱上均具有极高的分辨率和稳定性，在光谱成像、光学原子钟、高精度全球定位系统、激光雷达等领域有着重要的应用。

LNOI微环谐振器是一种光波导器件，其具有损耗小，成本低，结构紧凑及集成度高等优点，并与CMOS工艺有很高的兼容性，易与其他光电器件实现单片集成，在光频梳领域具有重要的应用价值。

2019年，哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院和斯坦福大学爱德华金斯顿实验室的联合团队报道了基于LNOI微环谐振器实现的宽带光频梳，如图6所示[26]。光频梳的梳齿带宽大于80 nm，梳齿线大于900条，光输入1 550 nm，重复率约10 GHz，能够产生宽且稳定的梳齿频谱。

图6 集成电光频率梳

3 总结与展望

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)具备诸多传统光子材料的高速电光调控、超低损耗、易实现高效异构集成等优越性能，为LN光路与Si CMOS电路实现光电混合集成提供了平台。因此，基于LNOI的集成铌酸锂光子器件正处于快速发展阶段，结合LN 本身的多功能性和更丰富的微纳加工工艺，类型多样、结构更复杂的多功能集成光子学系统有望在LNOI 薄膜平台上得以实现，未来在大规模光子集成、光电集成、微波光子集成等领域将具有重要的应用价值。

但是，集成铌酸锂光子器件在大规模量产及LNOI芯片系统的实现等方面仍面临很大的挑战。目前报道的集成铌酸锂光子器件制作技术只适合实验室原型器件的制备，探索具有代工兼容性的集成铌酸锂光子器件批量制造工艺将是未来集成铌酸锂光子器件的重要研究方向。此外，要实现LNOI芯片系统，除集成铌酸锂光子器件外，还需要研制极化控制器、转换器、光源、探测器及光放大器，但由于LN不具备直接带隙，因此，LNOI与其他材料的异构集成(如III-V半导体、铟磷和锗)也是未来集成铌酸锂光子器件的研究重点。