专业高效
微纳加工公司

具有高速度和低功耗优势的光子操控大容量数据，是应对后摩尔时代爆炸性增长需求的一个有前景的解决方案。经过充分发展的铌酸锂绝缘体（LNOI）平台已广泛用于高性能电光（EO）调制器，以桥接电信号和光信号。然而，由于强双折射，X切LNOI平台上的光子波导存在严重的偏振模转换/耦合问题，使得实现大规模集成变得困难。在此，提出并展示了基于**钽酸锂绝缘体（LTOI）**的低双折射光子集成电路（PICs），这使得高性能的无源光子器件和电光调制器得以实现，展示了大规模光子芯片的巨大潜力。通过分析低双折射和高双折射情况下的模式转换与演化行为，发现不希望的模式混合可以有效抑制。我们开发了一个简单且通用的制造工艺，并展示了多种具有卓越性能的代表性无源光子器件。最终，我们开发了一种波长分复用的光发射器，通过单片集成8个电光调制器和一个8通道阵列波导光栅，实现了1.6 Tbps的数据传输速率。因此，所展示的低双折射LTOI平台在光子行为的无源和有源控制方面具有强大的能力，表明其在超快处理和大容量数据传输中的巨大潜力。

6寸 Z切薄膜铌酸锂、X切薄膜钽酸锂 

一片6寸=25个20*20小片

一片4寸=9个20*20小片

划重点--销售晶圆和加工

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

EBL和6寸 150nmDUV加工微纳结构

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN镀膜刻蚀,ZnO,HfO2。al2o3。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

请联系小编免费获取原文

1. 引言

大数据和人工智能的出现，近年来对数据处理和通信容量提出了爆炸性增长的需求。[1–6] 由于“摩尔定律的终结”这一众所周知的原因，电子集成电路逐渐无法满足不断增长的数据容量需求。具有大带宽和低功耗优势的光子集成电路（PICs）被认为是后摩尔时代高效处理大量数据的有前景的候选方案。

电光（EO）调制器在光子集成电路中起着桥接电信号和光信号连接的关键作用。薄膜铌酸锂光子学因其不仅具有大的电光系数，而且具有低损耗和宽透明窗口等优秀的光学特性，受到广泛关注。近年来，许多高性能的电光调制器[7–17]以及相关的大容量数据处理[18–23]已经实现。

采用CMOS驱动电压，马赫-曾德尔干涉仪（MZI）电光调制器的3 dB带宽已被推至超过100 GHz。[24] 通过先进的数字信号处理，基于相干的同相和正交电光调制器已经实现了单波长下1.96 Tbit/s的数据传输速率。[25]

具有电光系数的材料通常具有双折射特性，因为电光相互作用源自非中心对称晶体结构。目前，大多数已实现的高性能电光调制器是通过在X切晶片上调制TE模式来实现的，[7–17]因此，TE模式的光将在不同的晶体方向上具有不同的有效折射率。铌酸锂的相对较大双折射（no = 2.2111，ne = 2.1376@1550 nm）会在光传播通过弯曲或渐缩波导时引起许多不希望的模式转换和混合。[26–28] 此外，不同晶体方向上折射率的变化使得在复杂布局（如阵列波导光栅和轨道角动量发生器）中定义固定的光学距离和相位装置变得困难。因此，铌酸锂的双折射性严重限制了高性能和多功能无源器件的实现，成为开发大规模铌酸锂光子集成电路以处理大容量数据传输的瓶颈。

利用Z切铌酸锂晶片上的TM偏振模式可能是解决双折射问题的一种选择，因为在不同晶体方向上，平面内的折射率保持一致，且TM偏振模式可以与最大电光系数的晶体取向对齐。然而，铌酸锂在射频频谱中的高介电常数（𝜖LN = 28）降低了调制效率，因为需要在金属和铌酸锂之间引入低介电常数的二氧化硅上覆层（𝜖SiO₂ = 3.8），以最小化金属对光的吸收。这一要求导致二氧化硅层内电压降显著，最终降低了铌酸锂核心区域的调制效率。因此，利用X切铌酸锂晶片上的TE模式是探索高性能电光调制器的优选方案，但双折射引起的挑战使得在开发无源光子器件时，难以实现大规模光子集成。

另一种低成本且商业化的铁电材料**钽酸锂（LT）**通常被认为是铌酸锂（LN）在许多应用中的替代品。[29–34] 它具有类似的电光系数r33≈30 pm V−1r_{33} \approx 30 \, \text{pm V}^{-1}，更宽的透明范围 280 nm–5.5 μm，更高的损伤阈值 240 MW cm⁻²，以及比铌酸锂小一个数量级的双折射（no=2.119n_o = 2.119和ne=2.123n_e = 2.123@ 1550 nm）[35,36]。

在此，我们提出并展示了基于**铌钽酸锂绝缘体（LTOI）**平台的低双折射光子集成电路（PICs），旨在实现大规模集成，用于大容量数据处理。

首先，分析了低双折射和高双折射波导中的模式转换和演化行为，并有效地抑制了不希望的模式混合。接着，开发了一种简单且通用的制造工艺，并实验实现了包括：

• 具有加载Q值约1.23×1061.23 \times 10^6的高质量微环谐振器

• 自由光谱范围（FSR）约 8.6 nm 的紧凑微环谐振器

• 效率为 4.6 dB facet⁻¹ 的光栅耦合器

• 3 dB带宽大于 67 GHz 的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）电光调制器。

为了展示LTOI低双折射的优势，我们实现了一个用于密集波长分复用的8通道阵列波导光栅（AWG），其插入损耗小于 3.5 dB，串扰小于 -23 dB。进一步地，通过单片集成8个电光调制器和一个AWG的光发射器实现了1.6 Tbps的数据传输速率。因此，展示的LTOI光子集成电路（PICs）将为电光材料平台的大规模集成开辟新的途径，并在超快信号处理和数据通信中找到广泛的应用。

2. 结果

2.1 模式演化行为

图 1a 展示了 LT 光子集成电路（PICs）的示意图，其中无源器件和高速电光调制器被单片集成在芯片上。低双折射的 LT 确保了不同种类的无源器件，因为在不同传播方向上有特定的相位和光学距离。作为分析模式演化行为的两个例子，我们选择了基本光学元件，包括弯曲波导（图 1b）和两层倒锥形波导（图 1c），它们在不同方向上传播（图 1d），分别用于分析 LN 和 LT 波导中的模式演化行为。

对于厚度为 h = 600 nm 和宽度为 w1 = 600 nm 的 LN 和 LT 波导，图 1e 和图 1f 分别显示了 LN（1e）和 LT（1f）波导中不同模式的有效折射率随传播方向θ\theta的变化。LN 波导的有效折射率变化包含几个分裂，在这些位置，两个模式具有非零的模式重叠，它们的有效折射率会在某些晶体方向交叉，因此会发生不希望的模式混合。然而，在 LT 波导中没有出现有效折射率分裂，表明这些模式在弯曲波导中不会相互干扰。关于不同种类的 LN 和 LT 波导中不同阶次模式的有效折射率随传播方向θ\theta变化的更详细分析见图 S1（支持信息），所有 LN 波导中的不希望的有效折射率交叉在 LT 波导中都可以避免。

对于半径为 R = 20 μm 的 LN 和 LT 弯曲波导，图 1g 和图 1h 显示了在 TE₀ 模式输入下，|Ex| 组件的演化情况，其中电场的主要分量在 y-z 平面内。图中显示，在 LN 弯曲波导中（图 1g），大量属于 TM 偏振的 |Ex| 组件被激发，而在 LT 弯曲波导中（图 1h），|Ex| 组件沿波导传播几乎不发生变化。此外，作为高效光纤波导耦合的标准模型的两层倒锥形波导（图 1c）在 LN 中也受到限制。图 1i 显示了在 TM₀ 模式输入下，Y-和 Z-传播倒锥形波导中的模式演化情况，表明 TM₀ 模式在 Y-传播倒锥形波导中平滑传输，但在 Z-传播倒锥形波导中，TM₀ 模式与 TE₁ 模式之间发生了严重的模式混合。原因是 LN 波导的双折射性使得具有主电场分量 Ez 和 Ey 的 Y-和 Z-传播 TE₁ 模式具有不同的有效折射率。图 1j 显示了在 TM₀ 模式输入下，Y-和 Z-传播 LT 倒锥形波导的模式演化情况，表明在两个传播方向上都没有出现模式混合。因此，LT PICs 可以避免 LN PICs 面临的许多不希望的模式混合，确保复杂功能光子集成电路的大规模集成。

图 1. LN 和 LT PICs 的模式演化行为。
a) 大规模集成 LT PICs 的示意图。
b) LNOI 或 LTOI 平台上弯曲波导的示意图，其中 R 和θ\theta分别表示波导的弯曲半径和波导横截面与 y 轴之间的角度。
c) 两层倒锥形波导的示意图。
d) Y 传播和 Z 传播倒锥形波导的示意图。
e,f) 在 e) LN 波导和 f) LT 波导中，TE 和 TM 模式的有效折射率随传播方向θ\theta变化。
g,h) 在 LN (g) 和 LT (h) 弯曲波导上输入 TE₀ 模式时，|Ex| 组件的模式演化情况，波导半径为 20 μm。i,j) 在 Y-（左）和 Z-（右）传播的 400-nm LN (i) 和 400-nm LT (j) 两层倒锥形波导中的模式演化情况。

图 2. 制造的基本光学元件和测量结果。
a) 一对通过直波导连接的光栅耦合器的显微镜图像。插图显示了放大后的光栅耦合器和波导的扫描电子显微镜（SEM）图像。
b) Y传播（蓝色）和 Z传播（红色）光栅耦合器的测量透射光谱。
c) 制造的微环谐振器的光学显微镜图像，半径为 108 μm。
d) 测量（点）和拟合（线）透射光谱。
e) 制造的加减微环谐振器的光学显微镜图像，半径为 20 μm。f) 从丢失端口（红色）和透射端口（蓝色）测得的透射光谱。

2.2 无源光学器件

在对高双折射 LN 和低双折射 LT 波导中的模式演化行为进行仔细分析后，我们设计并展示了在 400 nm LTOI 平台 上对大规模 LT 光子集成电路（PICs）至关重要的器件。图 2a 显示了一对聚焦光栅耦合器的光学显微镜图像，光栅耦合器通过一条直波导连接，其中两个插图为放大后的光栅耦合器和波导的扫描电子显微镜（SEM）图像。图 2b 显示了 Y 和 Z 传播光栅耦合器的测量透射光谱，它们具有相同的结构参数，周期为 0.99 μm 和占空比为 40%，测得的最小耦合损耗为 4.6 dB，1-dB 带宽超过 40 nm，表明其性能相似。图 2c 显示了制造的微环谐振器的光学显微镜图像，微环的半径为 108 μm，波导宽度为 1.5 μm，总线和微环波导之间的间隙为 0.5 μm。图 2d 中显示了测量（点）和拟合（线）透射光谱，表明其加载质量因子和内在质量因子分别可达到 1.23 × 10⁶ 和 2.09 × 10⁶，相应的传播损耗仅为约 0.2 dB cm⁻¹。图 2e 显示了制造的加减微环谐振器的光学显微镜图像，微环的半径仅为约 20 μm，总线和微环波导之间的耦合设计符合相位匹配条件R1neff1=R2neff2R_1 n_{eff1} = R_2 n_{eff2}，如图 2e 的插图所示，以增强耦合效率。低双折射的 LT 波导抑制了小弯曲波导处的模式混合，因此实现了低插入损耗 1.0 dB，高消光比 21.5 dB 和大自由光谱范围 8.6 nm，如图 2f 所示。

为了展示 LT 低双折射的优势，我们在 x-cut LTOI 平台 上展示了一个 AWG，具有严格的相位确定性要求。图 3a 显示了制造的 8 通道 AWG 的光学显微镜图像，它具有一个中央输入端口和 8 个输出端口。为了改善器件的性能，如插入损耗和串扰，我们在实验中考虑了一些特殊设计（见实验部分）。为了克服因制造不完美导致的相位误差问题，阵列波导的宽度设计为 2 μm，远超单模区间，以减少波导宽度不确定性带来的影响。图 3b 绘制了波导宽度作为函数的模拟有效折射率（实线），表明随着波导宽度的增加，TE₀ 模式的有效折射率逐渐变平。图 3b 中还展示了波导宽度变化 10 nm（虚线）和 20 nm（虚线）的有效折射率变化，表明波导宽度更大的波导对波导宽度变化不那么敏感，有助于减少在相同制造条件下阵列波导的相位误差。为了测量制造的 AWG 的光谱，图 3c 显示了所有 8 个通道的测量透射光谱，相对于具有相同光栅耦合器的直波导的透射进行了归一化，表明该 8 通道 AWG 具有 3.2 nm 的通道间隔，插入损耗小于 3.5 dB，相邻通道之间的串扰小于 −23 dB。在 LTOI 平台上的 AWG 展示了出色的插入损耗和串扰性能。图 3d 中放大的单通道传输显示每个通道的 3-dB 带宽为 1.54 nm。此外，我们还在 400 nm 和 600 nm LTOI 平台 上展示了不同晶体方向下的 AWG，以证明低双折射的优势具有普适性。测量结果显示，这些 AWG 具有低插入损耗和低串扰，如图 S2（支持信息）所示。

图 3. AWG 的设计与测量。
a) 制造的器件的光学显微镜图像，其中插图为阵列波导和 FPR 区域的放大图。
b) 有效折射率（实线）和波导宽度变化 10 nm（虚线） 和 20 nm（虚线） 下的折射率变化，作为波导宽度的函数。左侧 y 轴对应实线曲线，右侧 y 轴与虚线和虚线曲线共享。
c) 测量的制造 AWG 的透射光谱。
d) 单通道的典型透射光谱，在 c 处用星号标记。

2.3 高速电光调制和大容量数据传输

在展示了低双折射所带来的高性能无源器件之后，我们将注意力转向了LTOI平台上的电光调制性能。我们展示了一个集成的 LT 电光调制器，具有 VπL = 3.7 V·cm 的调制效率和 >67 GHz 的 3-dB 电光调制带宽。图 4a 显示了制造的 MZI 电光调制器 在 LTOI 平台上的光学显微镜图像，该调制器由两个 3-dB 多模干涉耦合器 组成，用于分离和合并光功率，同时配备了一个 5 mm 推拉光学波导相位调节器对。该相位调节器对支持受限共传播的微波和光学场，因此需要具有匹配的群速度和低传播损耗。

图 4b 显示了电光调制器的示意横截面，电极以 接地-信号-接地（GSG） 配置排列，光学波导穿过 GSG 共面微波条形线的间隙。LTOI 平台上的微波和光学群速度是独立设计的，因为光场被限制在波导区域，而微波模式主要存在于衬底中。因此，该设备能够在非常高的微波频率下保持光信号和微波信号之间的速度匹配，而不会影响电光效率。通过有限元法的精细优化，获得了波导宽度 wwg = 1.5 μm、电极厚度 450 nm、信号电极宽度 ws = 18 μm、接地电极宽度 wg = 50 μm 和电极间隙 6.5 μm，实现了微波和光学群折射率匹配约 2.23，行波电极阻抗约 50 Ω，并且金属的光吸收损耗可以忽略不计。

图 4c 显示了优化后的电光调制器中一个相位调节器的模拟电场和光场分布。静态电光响应使用 1 kHz 三角波电压扫描方法 进行测量。图 4d 中的测量结果表明，5 mm 电光调制器 的半波电压 Vπ = 7.4 V，相应的 Vπ·L = 3.7 V·cm。此外，我们记录了偏置在四分之一周期的电光调制器的输出功率波动随时间变化的情况。测量结果表明，功率波动在 3 小时 的持续时间内小于 0.1 dB，如图 4e 所示，这显著低于在 LNOI MZI 电光调制器中观察到的静态漂移。[11]

图 4f 显示了制造的电光调制器的小信号电光响应（S21）的测量带宽，表明该电光调制器的 3-dB 带宽超过 67 GHz。需要注意的是，目前测得的调制带宽受实验设置的限制。电光调制器的带宽主要受限于行波电极的损耗，前提是速度匹配得以实现。我们相信，随着更先进的表征设备的使用，调制器的电光带宽可以扩展到 100 GHz 以上。

一个大容量光发射器通过单片集成 MZI 电光调制器阵列和 8 通道阵列波导光栅（AWG）得以实现，如图 5a 所示，该发射器能够将 8 个波长的数据流发送到单个波导中，从而显著提高链路容量。首先对每个电光调制器的 3-dB 电光调制带宽进行了表征，所有调制器的 3-dB 电光调制带宽均超过 67 GHz，如图 S7（支持信息）所示。使用制造的光发射器生成高速数据并进行了实验表征。图 5b 显示了在 100 GBaud 数据速率下测量的 4-级脉冲幅度调制（PAM4） 信号的眼图，表明所有通道的眼图均良好开启。因此，所展示的光发射器能够实现至少 1.6 Tbps 的数据容量。

3. 结论

在本文中，我们基于大规模商业化可用的钽酸锂（LT）开发并展示了低双折射光子集成电路（PICs）。在低双折射和高双折射波导中的模式转换和演化行为得到了充分分析，低双折射已被证明在许多需要特定光学相位、距离和模式的无源器件中优于高双折射。具有严格光学相位、距离和模式要求的阵列波导光栅（AWGs）被成功展示，通道间隔为 3.2 nm，通道数为 8，插入损耗小于 3.5 dB，串扰小于 −23 dB，用于密集波长分复用。此外，单片集成了 8 个电光调制器 和 一个 AWG 的大规模集成光发射器被展示，其数据传输速率为 1.6 Tbps。

因此，我们的工作成功证明了 LT 的低双折射特性克服了铌酸锂（LN）在开发无源器件中的瓶颈，使得将集成规模推向超越 LN 的水平成为可能，并且为数据中心互联、长途光通信以及量子信息等领域的更多应用提供了可能，这些都需要克服超低损耗波导、偏振无关器件、晶圆级精确制造等挑战。此外，LT 还具有许多其他优势，如较高的光学损伤阈值、较低的直流漂移以及良好的声学特性，这些都是在探索高功率非线性光子学应用、超快光开关和声光相互作用时所需的特性。

图 4. 集成高速 LT 电光调制器。
a) 制造的电光调制器的光学显微镜图像。
b) 所提议的电光调制器的示意横截面图。
c) 所提议的电光调制器的电场和光场分布的模拟横截面图。
d) 测量的光学透射与驱动电压的关系。
e) 偏置在四分之一周期的 LTOI MZI 电光调制器的功率波动测量。
f) 测量的小信号响应，3-dB 带宽超过 67 GHz。

图 5. 集成的大容量发射器。
a) 制造的 8 通道发射器的光学显微镜图像。
b) 所有通道的 100 GBaud 眼图测量结果。

4. 实验部分

AWG 设计： AWG 的设计遵循图 S6a（支持信息）所示的方法。首先，引入了一个绝热倒锥形波导连接自由传播区域（FPR）和阵列波导区域（AWR）。绝热倒锥形波导的输入宽度w1w_1和两个绝热倒锥形波导之间的间隙w2w_2被设计为 2 μm 和 0.5 μm，以最小化 FPR 和 AWR 之间由于模式不匹配引起的损耗。绝热倒锥形波导的输出宽度选择为 0.6 μm，以滤除在 FPR 和 AWR 边界激发的高阶模式。尽管可以使用较宽的波导来减小由于制造不完美导致的相位误差，但它也会在直线波导与弯曲波导的连接处激发许多不希望的高阶模式。通常会选择一个足够大的弯曲波导半径来减少高阶模式的激发，但这种方法不仅会增加器件的占地面积，还会因为阵列波导的较长长度而加剧相位误差。因此，引入了一个 90° 欧拉弯曲，该弯曲由一对 45° 修改的欧拉弯曲组成，沿传播方向具有渐变曲率，如图 S6b（支持信息）所示，以抑制曲率突变。最大半径RmaxR_{max}设定为 1000 μm，使得弯曲波导中的模场分布与直线波导中的模场分布非常相似。最小弯曲半径RminR_{min}，在实现低损耗和最小模式串扰方面起着关键作用，设定为 R_{min} = 40 μm，以平衡占地面积、串扰和损耗。使用 3D-FDTD 求解器模块进行了光传播模拟和理论光谱分析。图 S6c（支持信息）显示了当 TE₀ 模式沿设计的欧拉弯曲传播时的模拟光传播过程，可以观察到光传播过程异常平滑，没有干扰引起的波动。通过这种设计，TE₀ 模式的过量损耗在 1500–1600 nm 的波长范围内小于 0.01 dB，而模式间串扰小于 −30 dB，如图 S6d（支持信息）所示。

制造： 设备制造基于 400 nm x-cut LT 和 3-μm 硅衬底，使用 525-μm 厚 Si 握持基板。所有无源器件首先通过电子束光刻（EBL）进行图案化，然后通过 Ar+ 等离子体干法刻蚀 将图案转移到 LT 层中，刻蚀深度为 200 nm，刻蚀的波导侧壁角度α≈60∘\alpha \approx 60^\circ。接下来的 UV 光刻步骤用于形成电光调制器的电极图案，使用电子束蒸发和剥离步骤沉积一层 10/450-nm Ti/Au 电极。

计量—光栅耦合器和 AWG： 光源为宽带放大自发辐射源，经过测试器件后，光通过一对光栅耦合器传输，并由光谱分析仪（OSA）收集。

计量—微环谐振器： 由于 OSA 的分辨率限制，无法表征高 Q 特性，因此测量过程采用可调半导体激光器，光的偏振通过偏振控制器调节后，通过光栅耦合器输入到待测器件中，然后从器件耦合出的光被光电探测器收集。

计量—电光调制器的 3-dB 调制带宽： 表征小信号响应的实验装置如图 S7a（支持信息）所示。通过 1550-nm 激光器，光的偏振通过偏振控制器调节后，光经过可调光衰减器和掺铒光纤放大器后，通过光栅耦合器耦合到波导中。无线电频率（RF）信号通过 67-GHz RF 探头 施加到行波电极（TWE）上，传输到设备后的 RF 信号通过连接到 50 Ω 终端的第二个 RF 探头终止。调制后的光通过另一个光栅耦合器耦合出芯片，然后由 67-GHz 光学组件分析仪 收集和分析。

计量—眼图： 表征眼图的实验装置如图 S7b（支持信息）所示。由时钟源生成的电信号通过任意波形发生器转换为 PAM4 信号。通过偏置 tee 将 PAM4 信号与静态电压结合，然后施加到制造的设备上，调制后的光学信号通过光电探测器收集，并随后连接到实时示波器。

文章名：“Toward Large-Scale Photonic Chips Using Low-Anisotropy Thin-Film Lithium-Tantalate”

作者：Fei Huang, Xiaowan Shen, Siyuan Wang, Haochen Xu, Hongxuan Liu, Zexu Wang,He Gao, Xinmin Yao, Hengzhen Cao, Bin Chen, Xijie Wang, Jizhi Zhang, Zhile Wu,Mingyu Zhu, Hongzhi Xiong, Weike Zhao, Huan Li, Zejie Yu,* Liu Liu, Yaocheng Shi,and Daoxin Dai

单位：College of Optical Science and Engineering，Zhejiang University