5月8日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣團(tuán)隊(duì)在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

隨著全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，集成電路芯片性能提升的難度和成本越來(lái)越高，人們迫切尋找新的技術(shù)方案。以硅光技術(shù)和薄膜鈮酸鋰光子技術(shù)為代表的集成光電技術(shù)可以應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。其中，鈮酸鋰有“光學(xué)硅”之稱，近年來(lái)備受關(guān)注。

與鈮酸鋰類似，歐欣團(tuán)隊(duì)與合作者證明單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產(chǎn)生等方面比鈮酸鋰更具優(yōu)勢(shì)。此外，硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓的制備工藝與絕緣體上的硅更接近，因此鉭酸鋰薄膜可實(shí)現(xiàn)低成本和規(guī)模化制造，具有應(yīng)用價(jià)值。

歐欣團(tuán)隊(duì)采用基于“萬(wàn)能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過(guò)氫離子注入結(jié)合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。進(jìn)一步，合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，使對(duì)應(yīng)器件的光學(xué)損耗降低至5.6 dB m^-1，這低于其他團(tuán)隊(duì)報(bào)道的晶圓級(jí)鈮酸鋰波導(dǎo)的最低損耗值。該研究結(jié)合晶圓級(jí)流片工藝，探討了鉭酸鋰材料內(nèi)低雙折射對(duì)于模式交叉的有效抑制，并驗(yàn)證了可以應(yīng)用于整個(gè)通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。鉭酸鋰光子芯片展現(xiàn)出與鈮酸鋰薄膜相當(dāng)?shù)碾姽庹{(diào)制效率；同時(shí)，基于鉭酸鋰光子芯片，該研究首次在X切型電光平臺(tái)中產(chǎn)生了孤子光學(xué)頻率梳，結(jié)合電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達(dá)和精密測(cè)量等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。當(dāng)前，該研究已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國(guó)產(chǎn)光電集成芯片和移動(dòng)終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。

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(shí)，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強(qiáng)電光調(diào)制、弱雙折射、更強(qiáng)的抗光折變特性，這種先天的材料優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展了鉭酸鋰平臺(tái)的光學(xué)設(shè)計(jì)自由度。”

上述成果的第一完成單位為上海微系統(tǒng)所。該工作由上海微系統(tǒng)所和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作完成。

鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓制備及高性能光子芯片示意圖

（a）硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓（b）薄膜鉭酸鋰光學(xué)波導(dǎo)制備工藝及波導(dǎo)的掃描透鏡顯微鏡

（a）鉭酸鋰彎曲波導(dǎo)、（b）鈮酸鋰彎曲波導(dǎo)的色散曲線設(shè)計(jì)（實(shí)線）與實(shí)際色散曲線（散點(diǎn)），可觀察到鈮酸鋰波導(dǎo)色散曲線中明顯的模式交叉效應(yīng)

（a）薄膜鉭酸鋰電光調(diào)制器；（b）首次實(shí)現(xiàn)X切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳

8英寸硅基薄膜鉭酸鋰晶圓制備