5月8日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统研究所）欧欣研究员团队与瑞士洛桑联邦理工学院托比亚斯·基彭贝格(Tobias Kippenberg)在钽酸锂异质集成晶圆和高性能光子芯片制备领域，团队合作取得突破，以《可批量制造的钽酸锂集成光子芯片》为相关成果(Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing)出版于国际学术期刊《自然》。 随着全球集成电路产业进入“后摩尔时代”，人们迫切需要寻找新的技术解决方案，以提高集成电路芯片的性能和成本。 欧欣介绍，与以电流为信息载体的电子芯片不同，以光波为信息载体的光子芯片可以达到低功耗、高带宽、低延迟的效果。然而，目前阶段的光子芯片受到材料和技术的限制，面临着效率低、功能单一、成本高的挑战。 以硅光技术和薄膜铌酸锂光子技术为代表的集成光电技术被认为是应对集成电路芯片性能和成本瓶颈的颠覆性技术。其中，铌酸锂被称为光子时代的“光学硅”。广泛应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D全息显示、非线性光学器件、光量子通信等领域，具有机械性能稳定、易加工、耐高温、耐腐蚀、原料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点。 近年来，铌酸锂引起了广泛关注，哈佛大学等国外研究机构甚至提出了模仿硅谷模式建设新一代“铌酸锂谷”的方案。 与铌酸锂类似，欧欣团队和合作伙伴研究证明，单晶钽酸锂薄膜也具有优异的电光转换特性，在双折射、透明窗口范围、抗光折叠、频率梳等方面比铌酸锂具有更多的优势。此外，硅基钽酸锂异质晶圆(LTOI)绝缘体上的硅的制备工艺和制备工艺(SOI)因此，钽酸锂薄膜可以实现低成本、大规模的制造，具有很高的应用价值。 钽酸锂异质集成晶圆和高性能光子芯片 类似于电子芯片在硅晶圆上刻电路，团队在钽酸锂异质集成晶圆上刻光子芯片的光波。集成晶圆是由“硅-二氧化硅-钽酸锂”组成的“三明治”结构，其关键在于上层约600纳米的优质单晶钽酸锂膜和膜与二氧化硅的界面质量。 由于团队的“独特技能”——“通用离子刀”异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合，制备了优质硅基钽酸锂单晶膜异质晶圆。此外，与合作团队共同开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，将相应器件的光学损耗降低到5.6 dB m-1(低于其他团队报告的晶圆级铌酸锂波导的最低损失值)。 “我们将离子注入钽酸锂材料表面约600纳米的位置，就像一批准确的‘炸弹’，可以‘切割’下一层纳米厚度的单晶薄膜。团队研究人员、文章第一作者王成立表示，钽酸锂膜与硅衬底相结合，形成钽酸锂异质集成晶圆。 (a)硅基钽酸锂异质晶圆(b)薄膜钽酸锂光学波导制备工艺及波导扫描透镜显微镜(SEM) 钽酸锂膜具有优异的电光转换特性，可大规模制造，应用价值高。“与广受青睐的潜在光子芯片材料铌酸锂相比，钽酸锂膜具有制备效率高、难度低、成本低的特点，具有电光调节强、双折射弱、透明窗口宽、抗光折叠强等特点，大大扩大了光学设计的自由度。”欧欣说。 结合晶圆级流片工艺，研究人员探索了钽酸锂材料中低双折射对模式交叉的有效抑制，并验证了钽酸锂光子微腔谐振器可应用于整个通信波段。 (a)钽酸锂电光调制器薄膜；(b)x切型钽酸锂上的克尔孤子光频梳首次实现 欧信团队在这一领域的研究已经持续了近10年。值得一提的是，上海新硅聚合半导体有限公司孵化的团队具有大规模生产异质晶圆的能力，率先开发了8英寸异质集成材料技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了核心材料基础。 制备8英寸硅基薄膜钽酸锂晶圆 欧信团队和托比亚斯团队进一步开发了超低损耗钽酸锂光子芯片微纳加工方法，相应设备的光学损耗低于已知晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。 制备8英寸硅基薄膜钽酸锂晶圆 欧欣团队和托比亚斯团队进一步开发了超低损耗钽酸锂光子芯片微纳处理方法，相应设备的光学损耗低于已知晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。同时，基于钽酸锂光子芯片，该团队首次成功地在X切割电光平台上生产了孤子光学频率梳，预计将应用于激光雷达和精密测量。