引言

薄膜鈮酸鋰光子集成電路由于其優(yōu)越的電光性能和較大的二階光學(xué)非線性，近年來(lái)成為許多新興應(yīng)用的光子學(xué)平臺(tái)。這是通過(guò)最近開(kāi)發(fā)具有低傳播損耗的高限制波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，與無(wú)源材料平臺(tái)相當(dāng)。所需的低損耗和非線性材料特性可以很容易地補(bǔ)充現(xiàn)有平臺(tái)，如磷化銦(InP)和硅(Si)光子學(xué)，其中缺乏固有的二階非線性。在器件層面，超低電壓和/或帶寬超過(guò)100 GHz的調(diào)制器已得到驗(yàn)證。包括變頻器和頻率梳發(fā)生器在內(nèi)的新型非線性光學(xué)元件也已在芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)。這些高性能的基礎(chǔ)構(gòu)件有潛力在光通信、微波光子學(xué)、量子光子學(xué)和傳感中實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)

器件制造：

在這里，我們展示了在4英寸和6英寸晶圓上蝕刻的深紫外(DUV)光學(xué)光刻定義的薄膜LN PICs，在電信波長(zhǎng)下傳播損耗平均為0.27分貝/厘米，接近迄今為止一些最好的芯片級(jí)演示。為了解決物理蝕刻工藝中的光刻膠平滑問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)并采用了兩步掩模技術(shù)，包括將DUV光刻定義的聚合物掩模轉(zhuǎn)移到沉積在LN薄膜上的二氧化硅硬掩模上。我們使用標(biāo)準(zhǔn)的氟基干法蝕刻工藝將聚合物抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到二氧化硅上，然后使用類似于電子束抗蝕劑圖案化器件的氬電感耦合等離子體(ICP)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)蝕刻來(lái)蝕刻LN層。然后，我們使用這種晶圓級(jí)方法來(lái)制造各種光學(xué)器件，包括電光調(diào)制器、微環(huán)諧振器和定向耦合器。雖然這些裝置在DUV的曝光時(shí)間不到一分鐘，但是用電子束工藝，將需要超過(guò)8天的連續(xù)寫入。

尺寸：

我們分析了蝕刻膜的厚度，并測(cè)量了4英寸晶片上300納米蝕刻的標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.9納米。在加工前測(cè)量了LN薄膜厚度，如圖1(a)，并且再次在蝕刻和掩模去除之后，在沉積最終的二氧化硅覆層之前，如圖1(b)。由于用于薄膜厚度測(cè)量的白光干涉儀的光斑尺寸相對(duì)較大，以及薄膜LN晶片生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粗糙邊緣，4英寸晶片上的可測(cè)量區(qū)域具有8毫米的邊緣排除。從這兩個(gè)厚度測(cè)量的差異，我們提取了蝕刻深度，如圖1(c)，這表明我們的處理沒(méi)有引入顯著的額外厚度變化。此外，蝕刻后的大部分膜厚變化位于晶片邊緣附近。圖1(c)，膜厚標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為3.2 nm。邊緣的變化很可能歸因于初始厚度變化和由于處理過(guò)程中晶片處理而導(dǎo)致的晶片邊緣化學(xué)暴露減少的組合。

圖1 測(cè)量4英寸晶片的LN厚度均勻性(a)器件加工前和(b)器件加工后

因此，我們的線寬測(cè)量是對(duì)光傳播損耗的保守上限估計(jì)。我們通過(guò)對(duì)紅色和藍(lán)色激光掃描方向產(chǎn)生具有相同線寬的光譜，證實(shí)了光折變效應(yīng)的最小化。

我們測(cè)量了4英寸晶片上蝕刻光波導(dǎo)的平均傳播損耗為0.27分貝/厘米，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05分貝/厘米。為了描述光傳播損耗的特征，我們?cè)?2毫米乘22毫米的DUV刻線中加入了光學(xué)微環(huán)諧振器，該刻線橫跨晶片。我們使用垂直光纖陣列將來(lái)自可調(diào)激光源的光耦合進(jìn)和耦合出光柵耦合諧振器，并測(cè)量光電二極管上的輸出功率，獲得晶片上不同位置處器件的器件透射光譜，如圖2。

圖2 光柵耦合微環(huán)諧振器的典型共振譜

因此，我們的線寬測(cè)量是對(duì)光傳播損耗的保守上限估計(jì)。我們通過(guò)對(duì)紅色和藍(lán)色激光掃描方向產(chǎn)生具有相同線寬的光譜，證實(shí)了光折變效應(yīng)的最小化。我們?cè)诰席B加了每次掩模版曝光的共振光譜如圖2b，并且它們?cè)诰€寬上是一致的，盡管最小透射率因制造變化引起的諧振器耦合間隙中諧振器負(fù)載的固有靈敏度而變化。

結(jié)果和討論

標(biāo)稱傳播損耗值< 0.3分貝/厘米時(shí)，包括電光調(diào)制器和變頻器在內(nèi)的許多應(yīng)用現(xiàn)在可以經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模生產(chǎn)。在單個(gè)器件水平上或更低的水平上進(jìn)一步降低損耗仍有巨大的興趣。該演示中獲得的光傳播損耗可能受到蝕刻粗糙度的限制。通過(guò)開(kāi)發(fā)更平滑的硬掩模轉(zhuǎn)移工藝，可以預(yù)期光學(xué)損耗會(huì)進(jìn)一步改善，該工藝在本研究中尚未優(yōu)化，并且已被證明會(huì)產(chǎn)生< 1dB/m的波導(dǎo)損耗，達(dá)到這樣的損耗水平將使目前無(wú)法訪問(wèn)的新的光學(xué)組件庫(kù)成為可能，例如接近無(wú)損的級(jí)聯(lián)電光器件和/或超過(guò)米長(zhǎng)度的長(zhǎng)片上光學(xué)延遲線。我們的演示還為高通量晶圓級(jí)測(cè)試能力開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)，極大地加快了使用探針和光柵耦合器的硅光子學(xué)的發(fā)展。

這項(xiàng)工作(圖3(a)，3(b))也表明，如所預(yù)期的，金屬化過(guò)程對(duì)光波導(dǎo)層上的變化不敏感。這使得在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)以晶圓級(jí)為特征的超高速電光器件成為可能，這是縮短LN PICs開(kāi)發(fā)周期的關(guān)鍵。

圖3 使用深紫外光刻和標(biāo)準(zhǔn)蝕刻工藝制備的6英寸(a)和4英寸(b)薄膜鎳酸鋰晶片的照片。(c)顯示典型器件側(cè)壁粗糙度的掃描電鏡圖像，可與電子束光刻制作的器件相媲美

總結(jié)

我們的結(jié)果表明，低光損耗的LN PICs可以在晶片級(jí)上以高產(chǎn)量制造出均勻性好的LN PICs。雖然光學(xué)損耗和薄膜厚度變化與分別在SOI上實(shí)現(xiàn)的LN和均勻性的材料極限相比仍有改進(jìn)的空間，但我們的工作是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、復(fù)雜和低損耗的高產(chǎn)量電光和非線性pic的第一步。這可以促進(jìn)新興大規(guī)模光子學(xué)應(yīng)用的發(fā)展，如量子光子學(xué)和光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，高通量制造工藝可以大幅降低器件成本，使LN PIC技術(shù)能夠在數(shù)據(jù)和電信、傳感和微波光子學(xué)等更廣泛的成本敏感應(yīng)用中發(fā)揮作用。除了單片LN PICs之外，標(biāo)準(zhǔn)的絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)結(jié)構(gòu)和出色的無(wú)源光學(xué)性能可能會(huì)激發(fā)人們對(duì)在薄膜LN上實(shí)現(xiàn)非均勻集成光學(xué)系統(tǒng)的興趣，該光學(xué)系統(tǒng)集成了激光器和探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)同類最佳的性能。
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