一.背景介紹

進(jìn)入21世紀(jì)后，光子集成技術(shù)（PIC）逐漸成為備受關(guān)注的課題之一。原因無(wú)外乎兩方面：其一，信息技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了新的爆炸點(diǎn)，諸如大數(shù)據(jù)、人工智能、高速網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)、量子信息等等都對(duì)具有低能耗、超高算力、可高速重構(gòu)的光子器件提出了迫切需求；其二，光子集成技術(shù)自身也在不斷突破，片上器件的性能和成本不斷降低，達(dá)到了驅(qū)動(dòng)新產(chǎn)業(yè)生態(tài)的門(mén)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(yōu)異的電光和非線性光學(xué)特性、相對(duì)較高的折射率和較寬的透明窗口，自20世紀(jì)60年代以來(lái)一直被廣泛應(yīng)用于光子學(xué)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著通過(guò)離子切片制備的商業(yè)化薄膜鈮酸鋰晶圓的出現(xiàn)，以及加工制備技術(shù)的快速發(fā)展，基于薄膜鈮酸鋰平臺(tái)[1]開(kāi)發(fā)出了一系列光學(xué)器件，包括超低損耗可調(diào)光波導(dǎo)延時(shí)線、超高速光調(diào)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(zhì)量輕、功耗低、性能好的綜合優(yōu)勢(shì)，在光通信、光量子信息處理、光傳感和光學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。它們可以用于實(shí)現(xiàn)高速、高容量的光通信系統(tǒng)，提供更穩(wěn)定和可靠的光量子信息處理，以及實(shí)現(xiàn)高精度的光傳感和光學(xué)計(jì)算。

二.關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

（1）大尺寸光刻技術(shù)超低損耗波導(dǎo)加工工藝

多年來(lái)，隨著對(duì)高密度集成的需求不斷增加，制備高質(zhì)量的鈮酸鋰薄膜以及在干法蝕刻過(guò)程中形成高質(zhì)量的光子結(jié)構(gòu)成為了一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。在大規(guī)模的光子集成芯片器件中，實(shí)現(xiàn)超低損耗的波導(dǎo)對(duì)于獲得令人滿意的性能至關(guān)重要。

2014年，哈佛大學(xué)提出了電子束曝光結(jié)合離子刻蝕技術(shù)[2]，該技術(shù)與成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容，因此更易獲得推廣應(yīng)用。如圖1（a）所示，該制備技術(shù)路線的核心包括光刻膠曝光（光刻）和離子干法刻蝕兩個(gè)主要步驟。通過(guò)該技術(shù)所制備的薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)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(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所與華東師范大學(xué)提出了飛秒激光直寫(xiě)輔助化學(xué)機(jī)械拋光（Photolithography Assisted Chemo-Mechanical Etching，PLACE）技術(shù)[4]，目的是在薄膜鈮酸鋰上實(shí)現(xiàn)超低損耗光子器件和集成系統(tǒng)的晶圓級(jí)光刻制造。如圖1（b）所示，PLACE技術(shù)利用飛秒激光直寫(xiě)來(lái)制備鉻掩模，然后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光來(lái)蝕刻鈮酸鋰。利用這項(xiàng)技術(shù)制備的波導(dǎo)損耗同樣可以低至0.027 dB/cm[5]。PLACE技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于突破了單次連續(xù)曝光區(qū)域的尺寸限制，并可獲得極低的波導(dǎo)傳輸損耗，這兩項(xiàng)優(yōu)勢(shì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模鈮酸鋰光子芯片并推動(dòng)其應(yīng)用具有重要意義。

圖1 （a）利用電子束曝光結(jié)合離子束刻蝕的方法制備薄膜鈮酸鋰光子結(jié)構(gòu)的工藝流程示意圖；（b）飛秒激光直寫(xiě)輔助化學(xué)機(jī)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(gòu)薄膜鈮酸鋰光子芯片

在光量子信息處理、量子增強(qiáng)傳感器、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用中，由級(jí)聯(lián)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的可編程線性光子線路變得越發(fā)重要。這些新興應(yīng)用對(duì)超大規(guī)模光子集成和以具備極低損耗、超高開(kāi)關(guān)速度的光調(diào)制器為代表的高性能片上組件提出了嚴(yán)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(yán)格的器件要求。

近期，華東師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所在薄膜鈮酸鋰襯底上實(shí)現(xiàn)了4×4可編程線性光子運(yùn)算器[6]。該器件在損耗、功耗和運(yùn)算速度方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。圖2（a）展示了可編程線性光子運(yùn)算器的照片，其中任意SU（4）變換由6個(gè)可重構(gòu)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x單元實(shí)現(xiàn)。每個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，其插損僅為0.15 dB。該器件在1 MHz調(diào)制率下執(zhí)行運(yùn)算時(shí)，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(zhí)行了200次隨機(jī)4×4酉矩陣變換計(jì)算，得到的矩陣保真度為0.902±0.021。圖2（d）直接對(duì)比了其中一個(gè)矩陣運(yùn)算的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，大誤差小于10%。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低功耗和高性能的光子芯片在前沿經(jīng)典和量子應(yīng)用中的應(yīng)用邁出了重要的一步。

圖2 基于薄膜鈮酸鋰平臺(tái)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(nèi)部結(jié)構(gòu)；（c）200個(gè)隨機(jī)矩陣的測(cè)量保真度的直方圖；（d）其中一個(gè)矩陣的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

（3）薄膜鈮酸鋰大規(guī)模光子集成

對(duì)于薄膜鈮酸鋰大規(guī)模光子集成，我們考慮一個(gè)適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景的代表性器件，并考察其制備可能性與性能極限。在這個(gè)假想器件中，我們通過(guò)將盡可能多的鈮酸鋰馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x排列成一個(gè)網(wǎng)格陣列，放置在單個(gè)薄膜鈮酸鋰晶圓上構(gòu)建光子集成器件[7]。

從技術(shù)上講，由于4英寸的薄膜鈮酸鋰晶圓已經(jīng)商業(yè)化可用，我們考慮在4英寸晶圓允許的60 mm×60 mm的方形區(qū)域內(nèi)構(gòu)建馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x陣列。如圖3（a）所示，在保障鈮酸鋰波導(dǎo)可承受的調(diào)制電壓的前提下，薄膜鈮酸鋰上單個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的尺寸可以小至0.2 mm×2.5 mm。通過(guò)PLACE技術(shù)，圖3（b）所示，一個(gè)由7200個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的光子器件將很容易實(shí)現(xiàn)。在這樣一個(gè)大規(guī)模的光子集成芯片器件中，總傳輸損耗預(yù)計(jì)低可到0.5 dB。此外，如圖3（c）所示，利用PLACE技術(shù)，我們能夠以連續(xù)光刻方式單次加工預(yù)先拼接好的9片鈮酸鋰晶圓，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模鈮酸鋰光子集成器件的整體圖案化。利用該連續(xù)光刻加工技術(shù)，可以自動(dòng)確保不同晶圓中波導(dǎo)陣列間的高精度對(duì)準(zhǔn)。終，該整體拼接的鈮酸鋰晶圓上的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的總數(shù)可以達(dá)到64800個(gè)。

這一集成規(guī)模一旦實(shí)現(xiàn)，將會(huì)根本性地改變光子集成領(lǐng)域的狀況，推動(dòng)人類智能社會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的技術(shù)時(shí)代。這也是2017年，哈佛大學(xué)鄭重宣告“Now entering, lithium niobate valley"(人類正在進(jìn)入鈮酸鋰谷的時(shí)代)的信念來(lái)源。

圖3（a）基于薄膜鈮酸鋰的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的原理圖；（b）4英寸晶圓上制備的7200個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x陣列組成的光子集成芯片示意圖；（c）利用PLACE技術(shù)在9片4英寸晶圓中單次制備的64800個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x陣列組成的光子集成芯片示意圖

三.總結(jié)與展望

集成光子技術(shù)長(zhǎng)期受到片上光波導(dǎo)高傳輸損耗和高調(diào)制功耗的制約，無(wú)法持續(xù)擴(kuò)大集成規(guī)模。近10年來(lái)，薄膜鈮酸鋰光子學(xué)的快速發(fā)展為改變這一現(xiàn)狀提供了可能。薄膜鈮酸鋰結(jié)合先進(jìn)的微納光子制備技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光子集成領(lǐng)域的一系列突破，使得光子器件在調(diào)制帶寬、調(diào)制功耗、傳輸損耗、有源無(wú)源集成、超大集成規(guī)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(dá)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(shù)仍具有廣闊的發(fā)展空間。同時(shí)，很多薄膜鈮酸鋰光子器件都已接近甚至具備了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的條件，這將為下一代光信息技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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