12031-63-9 / 鈮酸鋰單晶薄膜（LNOI）開(kāi)啟高速光子時(shí)代

鈮酸鋰具優(yōu)異的電光、非線性和壓電性質(zhì)。借助于與先進(jìn)的微納加工技術(shù)，基于絕緣體上鈮酸鋰薄膜（LNOI）的集成光子學(xué)器件被大量的研發(fā)。未來(lái)，高性能LNOI材料將支撐著基于LNOI的微納光學(xué)、集成光子學(xué)、微波光子學(xué)進(jìn)一步的發(fā)展。鈮酸鋰光電子學(xué)器件邁向產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，高性能LNOI材料的產(chǎn)出將是其中重要的環(huán)節(jié)。

鈮酸鋰薄膜高速電光調(diào)制器（圖片來(lái)源：中山大學(xué)蔡鑫倫團(tuán)隊(duì)提供）

概述

現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，使得人們對(duì)于信息的容量和處理速度的需求都在飛速增加。傳統(tǒng)微電子電路在器件尺寸進(jìn)入5nm甚至3nm以后將不可避免的接近其物理極限，摩爾定律正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。并且傳統(tǒng)芯片中以電子作為輸運(yùn)載體、以金屬作為連線的電互聯(lián)技術(shù)由于信號(hào)的衰減、反射、帶寬有限、延遲大和功耗大等問(wèn)題使得信息處理速度難以有大的突破。光互聯(lián)技術(shù)以及光子集成芯片可以利用光子代替電子作為信息載體，能夠?qū)崿F(xiàn)超大容量、超高速率的信息傳輸，因此被認(rèn)為是進(jìn)一步提高芯片運(yùn)行速度的有效方法。

21世紀(jì)初，集成光學(xué)許多功能驗(yàn)證首先在絕緣體上硅襯底（SOI）上完成，人們期待著硅基集成光學(xué)在諸多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮出革命性作用。到目前為止，基于SOI材料的硅光平臺(tái)在眾多無(wú)源器件的設(shè)計(jì)和制備上已獲得了非常成熟的發(fā)展，硅基光電子技術(shù)正逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。然而由于Si本身為中心對(duì)稱晶體，缺乏電光效應(yīng)和二次非線性，因而在高速電光調(diào)制器和非線性器件的制備上面臨著天然的劣勢(shì)。

表1. LN與Si性能對(duì)比

鈮酸鋰是最廣泛使用的光電材料之一，其電光特性出眾，基于鈮酸鋰制備的電光調(diào)制器是現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的支柱。并且其透明窗口范圍、光學(xué)損耗、非線性性能、高速電光調(diào)制性能和壓電性能等方面相較硅有很大的優(yōu)勢(shì)（LN與Si性能對(duì)比見(jiàn)表1）。從1990年鈮酸鋰晶體產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，人們就嘗試使用質(zhì)子交換等技術(shù)來(lái)制備光波導(dǎo)，但是由于當(dāng)時(shí)絕緣體上薄膜未開(kāi)發(fā)成功，其集成光子學(xué)的巨大應(yīng)用潛力并未被發(fā)掘。而近幾年出現(xiàn)的絕緣體上鈮酸鋰薄膜材料（Lithium Niobate-on-insulator，LNOI）徹底改變了這一狀況。2017年，結(jié)合微納刻蝕工藝，超低損耗（0.027 dB/cm）和高光學(xué)限制的鈮酸鋰波導(dǎo)在LNOI平臺(tái)被研發(fā)，開(kāi)啟了鈮酸鋰在集成光子學(xué)、微波光子學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用大門；與此同時(shí)，超過(guò)100GHz調(diào)制帶寬的LNOI集成電光調(diào)制器也被驗(yàn)證，未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝，并引入更高階的調(diào)制方式后，也有望實(shí)現(xiàn)Tbit/s級(jí)的高速光收發(fā)模塊。

圖1. 人類正在進(jìn)入鈮酸鋰谷的時(shí)代。（圖片來(lái)源：www.seas.harvard.edu/news）

面對(duì)LNOI平臺(tái)給光子學(xué)研究帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)，哈佛大學(xué)在 2017 年發(fā)布了題為“Now entering, lithium niobate valley”（人類正在進(jìn)入鈮酸鋰谷的時(shí)代）的公告，公告指出：“鈮酸鋰對(duì)于光子學(xué)的意義，等同于硅對(duì)于電子學(xué)的意義”，“鈮酸鋰有望在光子學(xué)領(lǐng)域替代硅材料，為突破通信領(lǐng)域功耗大、速度慢的瓶頸性問(wèn)題提供解決方案”。未來(lái)，極低光學(xué)損耗、光電功能豐富的鈮酸鋰光子學(xué)芯片將在光通信、大數(shù)據(jù)中心、光量子計(jì)算、量子通信、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域彰顯出巨大的應(yīng)用價(jià)值。

研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，結(jié)合微納刻蝕工藝和LNOI平臺(tái)的成熟，LNOI片上的電光調(diào)制器、高效非線性光學(xué)器件、光學(xué)頻率梳、聲光調(diào)制器等片上微納光子學(xué)結(jié)構(gòu)被大量驗(yàn)證。

1.低損耗波導(dǎo)

圖2. （a）極低損耗的鈮酸鋰波導(dǎo)與高Q值諧振環(huán)（圖片來(lái)源：Loncar Lab/Harvard SEAS）；（b）極低損耗的米級(jí)長(zhǎng)度鈮酸鋰波導(dǎo)（圖片來(lái)源：華東師范大學(xué)程亞教授課題組）；

LNOI片上低損耗波導(dǎo)的制備是探索LN在微納光子學(xué)應(yīng)用的前提。然而由于鈮酸鋰較好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的韌性，鈮酸鋰波導(dǎo)的刻蝕一直是一個(gè)難題。2017年，哈佛大學(xué)的Marko Loncar課題組通過(guò)使用Ar+離子ICP-RIE刻蝕工藝，成功制備了超低損耗的LNOI光波導(dǎo)，如圖2（a）所示，該波導(dǎo)損耗可低至0.027dB/cm[1]，也開(kāi)啟了LNOI在集成光學(xué)、微波光子學(xué)等領(lǐng)域的研究熱潮。國(guó)內(nèi)學(xué)者在超低損耗的鈮酸鋰波導(dǎo)制備上也取得了突破性進(jìn)展。華東師范大學(xué)程亞教授研究組利用飛秒激光加工輔助的化學(xué)機(jī)械研磨研發(fā)了一種高效、大規(guī)模制備超低損耗的鈮酸鋰波導(dǎo)的方法，如圖2（b）所示，經(jīng)測(cè)試，該方法制備的鈮酸鋰波導(dǎo)損耗極低，約0.03dB/cm。經(jīng)過(guò)持續(xù)的技術(shù)與工藝提升，該波導(dǎo)制備技術(shù)已日趨成熟，可滿足鈮酸鋰晶圓級(jí)全尺寸光子器件的流片需求。

2.電光調(diào)制器

電光調(diào)制器是現(xiàn)代光通信以及集成光學(xué)應(yīng)用當(dāng)中的重要器件，其功能是將載有信息的電信號(hào)調(diào)制到以光為載波的光波上進(jìn)行傳輸，在信息傳輸過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。目前光通信中常用的電光調(diào)制器即以鈮酸鋰材料為基礎(chǔ)。然而，采用鈮酸鋰體材料制備的電光調(diào)制器由于光學(xué)模式較大，電場(chǎng)和光場(chǎng)的重疊度低，造成其集成度和效率低下，器件長(zhǎng)度通常接近10cm，難以與其他光學(xué)器件集成。LNOI材料的出現(xiàn)為解決該問(wèn)題提供了途徑，由于鈮酸鋰材料與包層SiO2較大的折射率差，可將光場(chǎng)約束在亞微米尺度，從而大大提高了光場(chǎng)和電場(chǎng)的重疊度，對(duì)于提高電光調(diào)制效率十分有利。

圖3 LNOI集成電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖及其S參數(shù)測(cè)試和傳輸速率測(cè)試圖（圖片來(lái)源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

2018年，哈佛大學(xué)Marko Loncar研究團(tuán)隊(duì)采用LNOI材料成功研制出了帶寬高達(dá)100GHz的 CMOS電壓兼容的集成MZI電光調(diào)制器，如圖3所示[3]。該器件的長(zhǎng)度僅為5mm，半波電壓低至1.4V，在8-ASK調(diào)制方式下，該器件的最高調(diào)制速率可達(dá)210Gbit/s，在調(diào)制效率、器件尺寸以及調(diào)制速率上遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電光調(diào)制器。并且整個(gè)芯片的光損耗僅為0.5dB，損耗特性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電光調(diào)制器。2020年，中山大學(xué)和武漢郵電科學(xué)研究院的研究人員合作，以LNOI材料為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了低損耗（1.45dB）低半波電壓(2.4V·cm)和大帶寬（>67GHz）的集成電光IQ調(diào)制器，如圖4（a）所示[4]。采用16QAM的高階調(diào)制方式，該器件可實(shí)現(xiàn)320 Gbit/s的超高調(diào)制速率（BER =8.41×10-3）。除了分立的電光調(diào)制器，中山大學(xué)的研究人員通過(guò)BCB鍵合的方式，實(shí)現(xiàn)了SOI光波導(dǎo)與LN電光調(diào)制器的異質(zhì)集成，為實(shí)現(xiàn)硅光芯片與鈮酸鋰電光調(diào)制器的集成開(kāi)辟了道路[5]。該器件通過(guò)錐形硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光在硅波導(dǎo)和鈮酸鋰波導(dǎo)之間的相互耦合，其器件結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。所制備電光調(diào)制器的半波電壓-長(zhǎng)度積僅為2.2V·cm，調(diào)制帶寬大于70GHz，消光比達(dá)40dB，在PAM-4調(diào)制格式下，可實(shí)現(xiàn)112Gbit/s的調(diào)制速率。

圖 4（a） LNOI集成IQ電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖及其S參數(shù)測(cè)試和傳輸速率測(cè)試圖。（b）Si波導(dǎo)與鈮酸鋰電光調(diào)制器的異質(zhì)集成，器件結(jié)構(gòu)及波導(dǎo)截面圖（圖片來(lái)源：中山大學(xué)蔡鑫倫教授課題組）

以LNOI材料為基礎(chǔ)的電光調(diào)制器具有尺寸小，調(diào)制電壓低，高速率以及可實(shí)現(xiàn)帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)高速光通信網(wǎng)絡(luò)中將發(fā)揮重要的應(yīng)用。

3.非線性器件

圖 5 （a）PPLN器件結(jié)構(gòu)與二次諧波轉(zhuǎn)換效率曲線。（b）LN微盤(pán)上的二次諧波和三次諧波產(chǎn)生。

LN具有優(yōu)異的非線性光學(xué)性質(zhì)。由于LN電疇取向容易被極化，周期極化鈮酸鋰（PPLN）的技術(shù)可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)高效非線性轉(zhuǎn)換中所必須滿足的的動(dòng)量守恒條件。這使得LNOI在片上非線性光學(xué)研究和應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。如圖5（a），2018年，Marko Loncar研究團(tuán)隊(duì)在LNOI上利用PPLN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了效率為2600%/W-1cm-2的二次諧波產(chǎn)生[6]，如此高的轉(zhuǎn)換效率源于LN所具有的強(qiáng)二階非線性系數(shù)、LN波導(dǎo)所具有的高光學(xué)模式限制系數(shù)以及精確控制的周期極化均勻性。利用X-cut LN微盤(pán)中的自相位匹配機(jī)制，高效的三階非線性轉(zhuǎn)換在LNOI微腔也被驗(yàn)證，如圖5（b）[7]。

4.光學(xué)頻率梳

圖 6 （a）LNOI上電光頻梳結(jié)構(gòu)；（b）電光頻梳光譜。（圖片來(lái)源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

LN所具有的優(yōu)異的二階、三階非線性系數(shù)也被用來(lái)穩(wěn)定的產(chǎn)生片上光學(xué)頻率梳。哈佛大學(xué)Marko Loncar研究團(tuán)隊(duì)首先在LNOI上演示了克爾光頻梳，并通過(guò)光學(xué)諧振環(huán)的電光調(diào)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)生的克爾光頻梳的調(diào)控與選頻。隨后Marko Loncar研究團(tuán)隊(duì)在另一項(xiàng)工作中提出了LNOI上的寬譜電光頻梳。如圖6所示，通過(guò)在在超高Q值鈮酸鋰微環(huán)內(nèi)對(duì)光子施加高頻微波調(diào)制產(chǎn)生寬頻譜電光頻梳[8]。這種新型光頻梳不僅繼承了傳統(tǒng)電光頻梳的穩(wěn)定性，而且體積小、功耗低、并從根本上解決了色散對(duì)電光頻梳寬度的限制。自2005年獲得諾貝爾獎(jiǎng)以來(lái)，光學(xué)頻率梳以及被廣泛應(yīng)用。LNOI片上產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳具有大帶寬、穩(wěn)定、可擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合LNOI平臺(tái)還具備的高速電光調(diào)制、高效非線性產(chǎn)生等優(yōu)勢(shì)，LNOI光頻梳有望在光通信、精密測(cè)量等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

5.多物理場(chǎng)器件

圖 7 （a）上：馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x聲光調(diào)制器；下：聲光相互作用原理圖；（b）（c）面向光機(jī)械研究的LNOI聲光子晶體

在通信領(lǐng)域，LN因具有很大的壓電系數(shù)和優(yōu)良的力學(xué)特性，被廣泛用于制備聲學(xué)濾波器。結(jié)合LN在光子上的優(yōu)勢(shì)，LNOI平臺(tái)也是研究機(jī)械波和光波相互作用的理想平臺(tái)，并為光子學(xué)、電子學(xué)以及聲學(xué)器件的集成提供了可能?？突仿〈髮W(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的蔡璐彤博士和Gianluca Piazza教授開(kāi)展了在LNOI上制備聲光調(diào)制器件的概念驗(yàn)證工作[9]，如圖所示，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x聲光調(diào)制器主要由金屬電極IDT（用來(lái)產(chǎn)生表面聲波）和光子波導(dǎo)器件組成，所驗(yàn)證的器件性能有望勝過(guò)基于塊狀鈮酸鋰的聲光器件，并具備小型化、片上集成的優(yōu)勢(shì)。

LNOI平臺(tái)被用于研究電子、聲子與光子的相互作用。如圖所示，羅徹斯特大學(xué)Lin Qiang團(tuán)隊(duì)[10]和斯坦福大學(xué)Safavi-Naeini團(tuán)隊(duì)[11]分別在LNOI上通過(guò)設(shè)計(jì)周期性結(jié)構(gòu)，將具有很小模式體積光子和聲子同時(shí)局域在同一微腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子層面的聲子與光子的強(qiáng)相互作用。LN優(yōu)異的壓電特性使得LNOI上可以通過(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生高質(zhì)量聲子，其優(yōu)異的電光特性也使得LNOI上可以實(shí)現(xiàn)CMOS級(jí)別電壓的電光控制。對(duì)電子、聲子與光子相互作用的研究，將可能解決在量子物理，經(jīng)典計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域的諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

材料

高性能LNOI材料是實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰在微納光子學(xué)、集成光子學(xué)和微波光子學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。除產(chǎn)業(yè)化公司外，上海微系統(tǒng)所歐欣研究員領(lǐng)導(dǎo)的異質(zhì)集成XOI課題組基于“萬(wàn)能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，以Si為襯底層，SiO2為光學(xué)隔離層，制備出4英寸光學(xué)級(jí)X-cut LNOI材料。如圖8所示為L(zhǎng)NOI材料的制備流程，主要分為以下四步：

（1）將He離子以一定能量注入X-cut鈮酸鋰材料中，在鈮酸鋰表面層下方一定深度引入缺陷層；

（2）將經(jīng)過(guò)離子注入的鈮酸鋰材料與帶有氧化層的硅襯底鍵合形成鍵合結(jié)構(gòu)；

（3）將鍵合結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火，使He離子注入引入的缺陷演化聚集形成裂紋，并最終使鈮酸鋰沿缺陷層分離，形成鈮酸鋰剝離剩余片和LNOI晶圓；

（4）通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）去除LNOI表面的離子注入損傷層，并通過(guò)退火恢復(fù)LN的晶格質(zhì)量，完成LNOI晶圓的制備。

圖 8 X-cut LNOI制備流程。（圖片來(lái)源：上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組）

制備的LNOI晶圓如圖9(a)所示，利用白光干涉儀測(cè)得剝離后的薄膜厚度不均勻性為±0.3%，經(jīng)過(guò)CMP后，薄膜厚度不均勻性可控制在±3%以內(nèi)，表面粗糙度在0.5nm以下。XRD單晶衍射儀測(cè)得鈮酸鋰薄膜的半高寬僅為40arcsec，具有優(yōu)異的晶體質(zhì)量。

圖 9（a）4英寸硅基X-Cut LNOI圖片；（b）鈮酸鋰薄膜白光干涉儀膜厚mapping圖；（c）鈮酸鋰XRD測(cè)量圖；（d）鈮酸鋰CMP后表面粗糙度測(cè)量圖（圖片來(lái)源：上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組）

基于開(kāi)發(fā)的LNOI薄膜，上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成課題組與中山大學(xué)蔡鑫倫課題組合作，制備了LNOI上的微環(huán)諧振器，如圖10所示。所驗(yàn)證的Q值為5×105，相應(yīng)波導(dǎo)的傳播損耗約為0.5 dB/cm。在相同的設(shè)計(jì)和微納加工工藝下與其他LNOI材料處于同一水平。未來(lái)，我們將基于LNOI，與國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的其他課題組合作，進(jìn)行各類功能器件的驗(yàn)證。并在此過(guò)程中不斷優(yōu)化材料質(zhì)量和降低材料成本，為基于LNOI的集成光學(xué)的發(fā)展提供支撐。

圖10 LNOI微環(huán)諧振器及測(cè)試圖。（圖片來(lái)源：上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組）

總 結(jié)

鈮酸鋰具優(yōu)異的電光、非線性和壓電性質(zhì)。借助于與先進(jìn)的微納加工技術(shù)，基于絕緣體上鈮酸鋰薄膜（LNOI）的集成光子學(xué)器件被大量的研究。未來(lái)，高性能LNOI材料將支撐著基于LNOI的微納光學(xué)、集成光子學(xué)、微波光子學(xué)進(jìn)一步的發(fā)展。鈮酸鋰光電子學(xué)器件邁向產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，高性能LNOI材料的產(chǎn)出將是其中重要的環(huán)節(jié)。基于“萬(wàn)能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，上海微系統(tǒng)所XOI異質(zhì)集成課題組已實(shí)現(xiàn)4寸LNOI的工程化制備。課題組也將為高性能器件的研發(fā)提供給材料設(shè)計(jì)上的實(shí)現(xiàn)方案。未來(lái)我們將繼續(xù)從事相關(guān)領(lǐng)域的工作，為基于LNOI微納光學(xué)、集成光子學(xué)、微波光子學(xué)的發(fā)展及其進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供有力支撐。我們也真誠(chéng)的期盼與國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究人員一起合作，共同推進(jìn)LNOI集成光學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

1 Zhang, M., Wang, C., Cheng, R., Shams-Ansari, A. & Lon?ar, M. Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator.Optica4, 1536-1537 (2017).

2 Zhou, J.-x.et al.Electro-Optically Switchable Optical True Delay Lines of Meter-Scale Lengths Fabricated on Lithium Niobate on Insulator Using Photolithography Assisted Chemo-Mechanical Etching.Chinese Physics Letters37, 084201 (2020).

3 Wang, C.et al.Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages.Nature562, 101-104 (2018).

4 Xu, M.et al.High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform.Nature communications11, 1-7 (2020).

5 He, M.et al.High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit s?1 and beyond.Nature Photonics13, 359-364 (2019).

6 Wang, C.et al.Ultrahigh-efficiency wavelength conversion in nanophotonic periodically poled lithium niobate waveguides.Optica5, 1438-1441 (2018).

7 Lin, J.et al.Broadband quasi-phase-matched harmonic generation in an on-chip monocrystalline lithium niobate microdisk resonator.Physical review letters122, 173903 (2019).

8 Zhang, M.et al.Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator.Nature568, 373-377 (2019).

9 Cai, L.et al.Acousto-optical modulation of thin film lithium niobate waveguide devices.Photonics Research7, 1003-1013 (2019).

10 Liang, H., Luo, R., He, Y., Jiang, H. & Lin, Q. High-quality lithium niobate photonic crystal nanocavities.Optica4, 1251-1258 (2017).

11 Jiang, W.et al.Lithium niobate piezo-optomechanical crystals.Optica6, 845-853 (2019).