上海微系統所開發新型光學“硅”與芯片技術

5月8日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）的研究員歐欣團隊聯手瑞士洛桑聯邦理工學院托比亞斯·基彭貝格團隊，在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片領域取得突破性進展，相關成果發表于《自然》。

鈮酸鋰有“光學硅”之稱，近年間受到了廣泛關注，哈佛大學等國外研究機構甚至提出了仿照“硅谷”模式來建設新一代“鈮酸鋰谷”的方案。歐欣團隊與合作者通過研究發現，相比于鈮酸鋰，單晶鉭酸鋰薄膜具有類似的優異電光轉換特性，且在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產生等方面更具優勢。此外，鉭酸鋰薄膜可實現低成本和規模化制造，具有極高的應用價值。

歐欣團隊采用基于“萬能離子刀”的異質集成技術，通過氫離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓。進一步地，與合作團隊聯合開發了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，對應器件的光學損耗普遍低于已報道晶圓級工藝下的鈮酸鋰波導損耗值。

鉭酸鋰光子芯片展現出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調制效率，同時研究團隊首次在X切型電光平臺中成功產生了孤子光學頻率梳，結合其電光可調諧性質，有望在激光雷達、精密測量等方面實現應用。值得一提的是，目前研究團隊已攻關8英寸晶圓制備技術，為更大規模的國產光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發展奠定了核心材料基礎。

鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片示意圖。圖片來源于中國科學院上海微系統與信息技術研究所

歐欣介紹：“相較于薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易制備，且制備效率更高。同時，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調制、弱雙折射、更強的抗光折變特性，這種先天的材料優勢極大地擴展了鉭酸鋰平臺的光學設計自由度。” 

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07369-1