高密度铌酸锂光电子集成芯片

逍遥设计自动化

引言
近二十年来，光电子集成芯片在数据中心和电信领域实现了重大技术进步。在各种材料平台中，绝缘体上铌酸锂因其优异的电光特性受到广泛关注。本文探讨使用创新制造技术开发高密度绝缘体上铌酸锂光电子线路的突破[1]。

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1
类金刚石碳技术革新
制造绝缘体上铌酸锂器件的主要挑战在于实现能产生具有垂直侧壁、低损耗波导的高质量刻蚀工艺。将类金刚石碳（DLC）作为硬掩模材料是这一领域的重大技术进步。DLC于1953年被发现，具有类似金刚石的特性，包括极高的硬度和化学惰性，同时保持非晶态结构，可以低成本制备薄膜。

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5 t0 J# k+ u3 t8 k  q4 Q5 J图1展示了使用DLC硬掩模的制造工艺，包括DLC沉积、干法刻蚀、铌酸锂刻蚀和掩模去除。该工艺展现了优异的刻蚀选择性和侧壁质量。

# H, z, R) C, H" G  m: {2
! h  C5 X& k2 Z2 Y; ]先进波导架构
该平台通过完全刻蚀的条形波导实现了器件密度的显著提升，这与传统的脊型波导形成鲜明对比。
6 R9 f% I) D) K4 d8 I

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+ p. m  D  [3 Y# D图2展示了紧密约束的铌酸锂光电子集成芯片平台，显示了各种组件的扫描电子显微镜图像，包括微环耦合部分、弯曲波导和用于光纤耦合的反向锥形结构。
) E  x5 \; H, D1 C) [9 Y) U
完全刻蚀几何结构实现了：
- B" [% q0 m$ z7 d波导弯曲半径小于20μm
与脊型波导相比，组件密度提高16倍
6 M. {' }7 l7 L9 U. V保持电光调制效率
1 k1 }! j; B$ _8 s传输损耗低至4 dB/m
通过反向锥形结构实现高效光纤-芯片耦合

+ k. K" z0 y* E9 {: Z4 W0 ]- K  a4 K9 F3
高性能光学谐振器
  Z" z9 d2 [' O- f( @3 G该平台在创建具有不同自由光谱范围（FSR）的高品质光学谐振器方面展现了卓越性能。

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2 b5 H5 I" j0 ?3 f% \$ N图3展示了X切和Z切铌酸锂光电子集成微谐振器的特性，显示品质因子超过1000万，FSR配置范围从81 GHz到967 GHz。
8 ~2 s8 S- }! i# j4 E
4
先进激光器集成
该平台最令人印象深刻的展示之一是与III-V族激光器的集成，创建了高性能可调谐光源。

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图4展示了基于铌酸锂平台的III-V族自注入锁定激光器，显示出优异的频率噪声降低和模式抑制比超过60 dB。

混合集成实现了：
# U; Y% ?6 v& A; J" V0 H亚千赫固有线宽
0.7 PHz/s的调谐速率
兼容CMOS驱动电压
优异的频率稳定性
: j( p- M" S2 m宽调谐范围

; U% j2 d& s  j& z: g# G3 f5
快速电光调谐
该平台通过电光调谐实现了前所未有的频率控制速度和精度。

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图5展示了自注入锁定III-V族铌酸锂激光器的快速电光调谐能力，展示了平坦的驱动带宽和精确的频率控制。
# B, Z! x& F: }  \- @& U6 S
主要成就包括：
直至腔体截止频率的平坦频率响应
无机械共振
6 n# s  e: K. d线性调谐特性
低电压操作
高达MHz的快速调制能力

! K6 }3 ?# ]  P( F3 x7 v. i( I6
/ l+ t) Z" x" o4 V. w$ \应用领域和发展方向
& s; l1 S6 c& F0 B$ G" w. n1 a高密度绝缘体上铌酸锂平台在多个应用领域具有广阔应用：
具有高速、低电压调制器的光通信
4 i7 @! J* ^) p$ w1 l: D% D具有高效光子网络的量子计算
. l( F6 O, E6 N3 X; Q5 [精密传感和计量
+ P9 R6 }8 O  }- S5 V集成频率梳生成
3 r+ O8 ~* z2 i微波-光学转换
7 \. w9 Z, j9 C2 D紧凑型光谱系统

该技术代表着实用、大规模光电子集成芯片的重要进展，可以匹配电子集成线路的密度和功能，同时提供独特的光学特性。
6 t5 l) r" o8 Z' Q% t. d
7
. ?# a% g) v( u2 _. o5 Q/ \$ _结论
将DLC作为绝缘体上铌酸锂制造的硬掩模材料代表着光电子集成技术的革新性进展。实现的高组件密度、低光损耗和优异的电光性能的组合使该平台在下一代光学系统中占据重要地位。在激光器集成和频率控制方面的展示进一步确立了其在通信、传感和量子技术实际应用中的潜力。

, ^- w+ S9 ?; B8 t  a7 w9 X在显著减小器件尺寸的同时保持高性能，解决了光电子集成的关键挑战。随着技术日趋成熟，预计将在商业应用中得到采用，特别是在对尺寸、功耗效率和性能要求极高的数据中心和电信系统中。
6 x* O# Y8 t5 n& c! r
! K% @5 z. l! Z) }, P6 Z参考文献
[1] Z. Li, R. N. Wang, G. Lihachev, J. Zhang, Z. Tan, M. Churaev, N. Kuznetsov, A. Siddharth, M. J. Bereyhi, J. Riemensberger, and T. J. Kippenberg, "High density lithium niobate photonic integrated circuits," Nature Communications, vol. 14, no. 4856, pp. 1-8, Aug. 2023, doi: 10.1038/s41467-023-40502-8.
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