鈮酸鋰單晶薄膜（LNOI）開啟高速光子時代

鈮酸鋰具優異的電光、非線性和壓電性質。藉助於與先進的微納加工技術，基於絕緣體上鈮酸鋰薄膜（LNOI）的集成光子學器件被大量的研發。未來，高性能LNOI材料將支撐著基於LNOI的微納光學、集成光子學、微波光子學進一步的發展。鈮酸鋰光電子學器件邁向產業化的應用，高性能LNOI材料的產出將是其中重要的環節。

鈮酸鋰薄膜高速電光調製器（圖片來源：中山大學蔡鑫倫團隊提供）

本文來源|中科院上海微系統所-信息功能材料國家重點實驗室-異質集成XOI課題組

撰稿|陳陽 王成立 排版|石航寧

概 述

現代信息產業的迅速發展，使得人們對於信息的容量和處理速度的需求都在飛速增加。傳統微電子電路在器件尺寸進入5nm甚至3nm以後將不可避免的接近其物理極限，摩爾定律正面臨著嚴峻的挑戰。並且傳統晶片中以電子作為輸運載體、以金屬作為連線的電互聯技術由於信號的衰減、反射、帶寬有限、延遲大和功耗大等問題使得信息處理速度難以有大的突破。光互聯技術以及光子集成晶片可以利用光子代替電子作為信息載體，能夠實現超大容量、超高速率的信息傳輸，因此被認為是進一步提高晶片運行速度的有效方法。

21世紀初，集成光學許多功能驗證首先在絕緣體上矽襯底（SOI）上完成，人們期待著矽基集成光學在諸多應用領域發揮出革命性作用。到目前為止，基於SOI材料的矽光平臺在眾多無源器件的設計和製備上已獲得了非常成熟的發展，矽基光電子技術正逐漸從實驗室走向產業化應用。然而由於Si本身為中心對稱晶體，缺乏電光效應和二次非線性，因而在高速電光調製器和非線性器件的製備上面臨著天然的劣勢。

表1. LN與Si性能對比

鈮酸鋰是最廣泛使用的光電材料之一，其電光特性出眾，基於鈮酸鋰製備的電光調製器是現代光纖通信技術的支柱。並且其透明窗口範圍、光學損耗、非線性性能、高速電光調製性能和壓電性能等方面相較矽有很大的優勢（LN與Si性能對比見表1）。從1990年鈮酸鋰晶體產業化以來，人們就嘗試使用質子交換等技術來製備光波導，但是由於當時絕緣體上薄膜未開發成功，其集成光子學的巨大應用潛力並未被發掘。而近幾年出現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，結合微納刻蝕工藝，超低損耗（0.027 dB/cm）和高光學限制的鈮酸鋰波導在LNOI平臺被研發，開啟了鈮酸鋰在集成光子學、微波光子學等領域應用大門；與此同時，超過100GHz調製帶寬的LNOI集成電光調製器也被驗證，未來通過進一步優化設計和工藝，並引入更高階的調製方式後，也有望實現Tbit/s級的高速光收發模塊。

圖1. 人類正在進入鈮酸鋰谷的時代。（圖片來源：www.seas.harvard.edu/news）

面對LNOI平臺給光子學研究帶來的巨大優勢，哈佛大學在 2017 年發布了題為「Now entering, lithium niobate valley」（人類正在進入鈮酸鋰谷的時代）的公告，公告指出：「鈮酸鋰對於光子學的意義，等同於矽對於電子學的意義」，「鈮酸鋰有望在光子學領域替代矽材料，為突破通信領域功耗大、速度慢的瓶頸性問題提供解決方案」。未來，極低光學損耗、光電功能豐富的鈮酸鋰光子學晶片將在光通信、大數據中心、光量子計算、量子通信、人工智慧等各個領域彰顯出巨大的應用價值。

研究現狀

近年來，結合微納刻蝕工藝和LNOI平臺的成熟，LNOI片上的電光調製器、高效非線性光學器件、光學頻率梳、聲光調製器等片上微納光子學結構被大量驗證。

1. 低損耗波導

圖2. （a）極低損耗的鈮酸鋰波導與高Q值諧振環（圖片來源：Loncar Lab/Harvard SEAS）；（b）極低損耗的米級長度鈮酸鋰波導（圖片來源：華東師範大學程亞教授課題組）；

LNOI片上低損耗波導的製備是探索LN在微納光子學應用的前提。然而由於鈮酸鋰較好的化學穩定性和較低的韌性，鈮酸鋰波導的刻蝕一直是一個難題。2017年，哈佛大學的Marko Loncar課題組通過使用Ar+離子ICP-RIE刻蝕工藝，成功製備了超低損耗的LNOI光波導，如圖2（a）所示，該波導損耗可低至0.027dB/cm [1]，也開啟了LNOI在集成光學、微波光子學等領域的研究熱潮。國內學者在超低損耗的鈮酸鋰波導製備上也取得了突破性進展。華東師範大學程亞教授研究組利用飛秒雷射加工輔助的化學機械研磨研發了一種高效、大規模製備超低損耗的鈮酸鋰波導的方法，如圖2（b）所示，經測試，該方法製備的鈮酸鋰波導損耗極低，約0.03dB/cm [2]。經過持續的技術與工藝提升，該波導製備技術已日趨成熟，可滿足鈮酸鋰晶圓級全尺寸光子器件的流片需求。

2.電光調製器

電光調製器是現代光通信以及集成光學應用當中的重要器件，其功能是將載有信息的電信號調製到以光為載波的光波上進行傳輸，在信息傳輸過程中起著至關重要的作用。目前光通信中常用的電光調製器即以鈮酸鋰材料為基礎。然而，採用鈮酸鋰體材料製備的電光調製器由於光學模式較大，電場和光場的重疊度低，造成其集成度和效率低下，器件長度通常接近10cm，難以與其他光學器件集成。LNOI材料的出現為解決該問題提供了途徑，由於鈮酸鋰材料與包層SiO2較大的折射率差，可將光場約束在亞微米尺度，從而大大提高了光場和電場的重疊度，對於提高電光調製效率十分有利。

圖 3 LNOI集成電光調製器結構結構圖及其S參數測試和傳輸速率測試圖 （圖片來源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

2018年，哈佛大學Marko Loncar研究團隊採用LNOI材料成功研製出了帶寬高達100GHz的 CMOS電壓兼容的集成MZI電光調製器，如圖3所示[3]。該器件的長度僅為5mm，半波電壓低至1.4V，在8-ASK調製方式下，該器件的最高調製速率可達210Gbit/s，在調製效率、器件尺寸以及調製速率上遠高於傳統電光調製器。並且整個晶片的光損耗僅為0.5dB，損耗特性遠低於傳統電光調製器。2020年，中山大學和武漢郵電科學研究院的研究人員合作，以LNOI材料為基礎，實現了低損耗（1.45dB）低半波電壓(2.4V·cm)和大帶寬（>67GHz）的集成電光IQ調製器，如圖4（a）所示[4]。採用16QAM的高階調製方式，該器件可實現320 Gbit/s的超高調製速率（BER =8.41×10-3）。除了分立的電光調製器，中山大學的研究人員通過BCB鍵合的方式，實現了SOI光波導與LN電光調製器的異質集成，為實現矽光晶片與鈮酸鋰電光調製器的集成開闢了道路[5]。該器件通過錐形矽波導結構，實現了光在矽波導和鈮酸鋰波導之間的相互耦合，其器件結構如圖4（b）所示。所製備電光調製器的半波電壓-長度積僅為2.2V·cm，調製帶寬大於70GHz，消光比達40dB，在PAM-4調製格式下，可實現112Gbit/s的調製速率。

圖 4（a） LNOI集成IQ電光調製器結構圖及其S參數測試和傳輸速率測試圖。 （b）Si波導與鈮酸鋰電光調製器的異質集成，器件結構及波導截面圖（圖片來源：中山大學蔡鑫倫教授課題組）

以LNOI材料為基礎的電光調製器具有尺寸小，調製電壓低，高速率以及可實現帶寬大等優點，在未來高速光通信網絡中將發揮重要的應用。

3.非線性器件

圖 5 （a）PPLN器件結構與二次諧波轉換效率曲線。（b）LN微盤上的二次諧波和三次諧波產生。

LN具有優異的非線性光學性質。由於LN電疇取向容易被極化，周期極化鈮酸鋰（PPLN）的技術可以被用來實現高效非線性轉換中所必須滿足的的動量守恆條件。這使得LNOI在片上非線性光學研究和應用中具有很大的優勢。如圖5（a），2018年，Marko Loncar研究團隊在LNOI上利用PPLN技術實現了效率為2600% /W-1cm-2的二次諧波產生[6]，如此高的轉換效率源於LN所具有的強二階非線性係數、LN波導所具有的高光學模式限制係數以及精確控制的周期極化均勻性。利用X-cut LN微盤中的自相位匹配機制，高效的三階非線性轉換在LNOI微腔也被驗證，如圖5（b）[7]。

4.光學頻率梳

圖 6 （a）LNOI上電光頻梳結構；（b）電光頻梳光譜。（圖片來源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

LN所具有的優異的二階、三階非線性係數也被用來穩定的產生片上光學頻率梳。哈佛大學Marko Loncar研究團隊首先在LNOI上演示了克爾光頻梳，並通過光學諧振環的電光調製實現了對產生的克爾光頻梳的調控與選頻。隨後Marko Loncar研究團隊在另一項工作中提出了LNOI上的寬譜電光頻梳。如圖6所示，通過在在超高Q值鈮酸鋰微環內對光子施加高頻微波調製產生寬頻譜電光頻梳[8]。這種新型光頻梳不僅繼承了傳統電光頻梳的穩定性，而且體積小、功耗低、並從根本上解決了色散對電光頻梳寬度的限制。自2005年獲得諾貝爾獎以來，光學頻率梳以及被廣泛應用。LNOI片上產生的光學頻率梳具有大帶寬、穩定、可擴展的優勢，結合LNOI平臺還具備的高速電光調製、高效非線性產生等優勢，LNOI光頻梳有望在光通信、精密測量等領域發揮重要作用。

5.多物理場器件

圖 7 （a）上：馬赫-曾德爾幹涉儀聲光調製器；下：聲光相互作用原理圖；（b）（c）面向光機械研究的LNOI聲光子晶體

在通信領域，LN因具有很大的壓電係數和優良的力學特性，被廣泛用於製備聲學濾波器。結合LN在光子上的優勢，LNOI平臺也是研究機械波和光波相互作用的理想平臺，並為光子學、電子學以及聲學器件的集成提供了可能。卡耐基梅隆大學電子與計算機工程學院的蔡璐彤博士和Gianluca Piazza教授開展了在LNOI上製備聲光調製器件的概念驗證工作[9]， 如圖所示，馬赫-曾德爾幹涉儀聲光調製器主要由金屬電極IDT（用來產生表面聲波）和光子波導器件組成，所驗證的器件性能有望勝過基於塊狀鈮酸鋰的聲光器件，並具備小型化、片上集成的優勢。

LNOI平臺被用於研究電子、聲子與光子的相互作用。如圖所示，羅徹斯特大學Lin Qiang團隊[10]和史丹福大學Safavi-Naeini團隊[11]分別在LNOI上通過設計周期性結構，將具有很小模式體積光子和聲子同時局域在同一微腔內，實現量子層面的聲子與光子的強相互作用。LN優異的壓電特性使得LNOI上可以通過壓電效應產生高質量聲子，其優異的電光特性也使得LNOI上可以實現CMOS級別電壓的電光控制。對電子、聲子與光子相互作用的研究，將可能解決在量子物理，經典計算、人工智慧等領域的諸多問題和挑戰。

材 料

高性能LNOI材料是實現鈮酸鋰在微納光子學、集成光子學和微波光子學等領域應用的基礎。除產業化公司外，上海微系統所歐欣研究員領導的異質集成XOI課題組基於「萬能離子刀」智能剝離與轉移技術，以Si為襯底層，SiO2為光學隔離層，製備出4英寸光學級X-cut LNOI材料。如圖8所示為LNOI材料的製備流程，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）將經過離子注入的鈮酸鋰材料與帶有氧化層的矽襯底鍵合形成鍵合結構；

（3）將鍵合結構進行退火，使He離子注入引入的缺陷演化聚集形成裂紋，並最終使鈮酸鋰沿缺陷層分離，形成鈮酸鋰剝離剩餘片和LNOI晶圓；

（4）通過化學機械拋光（CMP）去除LNOI表面的離子注入損傷層，並通過退火恢復LN的晶格質量，完成LNOI晶圓的製備。

圖 8 X-cut LNOI製備流程。（圖片來源：上海微系統所異質集成XOI課題組）

製備的LNOI晶圓如圖9(a)所示，利用白光幹涉儀測得剝離後的薄膜厚度不均勻性為±0.3%，經過CMP後，薄膜厚度不均勻性可控制在±3%以內，表面粗糙度在0.5nm以下。XRD單晶衍射儀測得鈮酸鋰薄膜的半高寬僅為40arcsec，具有優異的晶體質量。

圖 9（a）4英寸矽基X-Cut LNOI圖片；（b）鈮酸鋰薄膜白光幹涉儀膜厚mapping圖；（c）鈮酸鋰XRD測量圖；（d）鈮酸鋰CMP後表面粗糙度測量圖（圖片來源：上海微系統所異質集成XOI課題組）

基於開發的LNOI薄膜，上海微系統所異質集成課題組與中山大學蔡鑫倫課題組合作，製備了LNOI上的微環諧振器，如圖10所示。所驗證的Q值為5×105，相應波導的傳播損耗約為0.5 dB/cm。在相同的設計和微納加工工藝下與其他LNOI材料處於同一水平。未來，我們將基於LNOI，與國內和國際上的其他課題組合作，進行各類功能器件的驗證。並在此過程中不斷優化材料質量和降低材料成本，為基於LNOI的集成光學的發展提供支撐。

圖10 LNOI微環諧振器及測試圖。（圖片來源：上海微系統所異質集成XOI課題組）

總 結

鈮酸鋰具優異的電光、非線性和壓電性質。藉助於與先進的微納加工技術，基於絕緣體上鈮酸鋰薄膜（LNOI）的集成光子學器件被大量的研究。未來，高性能LNOI材料將支撐著基於LNOI的微納光學、集成光子學、微波光子學進一步的發展。鈮酸鋰光電子學器件邁向產業化的應用，高性能LNOI材料的產出將是其中重要的環節。基於「萬能離子刀」智能剝離與轉移技術，上海微系統所XOI異質集成課題組已實現4寸LNOI的工程化製備。課題組也將為高性能器件的研發提供給材料設計上的實現方案。未來我們將繼續從事相關領域的工作，為基於LNOI微納光學、集成光子學、微波光子學的發展及其進一步產業化應用提供有力支撐。我們也真誠的期盼與國內外相關領域的研究人員一起合作，共同推進LNOI集成光學的發展。

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擴展閱讀，請參考如下文獻：

1 Zhang, M., Wang, C., Cheng, R., Shams-Ansari, A. & Lončar, M. Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator. Optica 4, 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 Letters 37, 084201 (2020).

3 Wang, C. et al. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages. Nature 562, 101-104 (2018).

4 Xu, M. et al. High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform. Nature communications 11, 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 Photonics 13, 359-364 (2019).

6 Wang, C. et al. Ultrahigh-efficiency wavelength conversion in nanophotonic periodically poled lithium niobate waveguides. Optica 5, 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 letters 122, 173903 (2019).

8 Zhang, M. et al. Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator. Nature 568, 373-377 (2019).

9 Cai, L. et al. Acousto-optical modulation of thin film lithium niobate waveguide devices. Photonics Research 7, 1003-1013 (2019).

10 Liang, H., Luo, R., He, Y., Jiang, H. & Lin, Q. High-quality lithium niobate photonic crystal nanocavities. Optica 4, 1251-1258 (2017).

11 Jiang, W. et al. Lithium niobate piezo-optomechanical crystals. Optica 6, 845-853 (2019).