光刻工藝制備寬帶鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器

Fan Yang, Xiansong Fang, Xinyu Chen, Lixin Zhu, Fan Zhang, Zhangyuan Chen, and Yanping L. Monolithic thin film lithium niobate electro-optic modulator with over 110 GHz bandwidth. Chinese Optics Letters, 2022, 20(2): 022502.

  在5G、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新一代信息技術(shù)推動(dòng)下，寬帶化浪潮席卷全球，全球網(wǎng)絡(luò)信息容量呈指數(shù)增長。作為信息系統(tǒng)中的重要一環(huán)，以光波為載體的光通信網(wǎng)絡(luò)面臨著容量、能耗和成本上的巨大壓力。電光調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)信息光電轉(zhuǎn)換的核心器件，因此大帶寬、低功耗、小型化和可大規(guī)模制造的新型電光調(diào)制器芯片成為世界各國集中攻關(guān)的核心變革性技術(shù)之一。

  近年來，具有超高帶寬和低驅(qū)動(dòng)電壓的鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制芯片被陸續(xù)報(bào)道，展現(xiàn)了其在未來光子系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。但目前芯片加工大多依賴于耗時(shí)的電子束曝光技術(shù)，成本高且很難大規(guī)模制作。而常規(guī)的光刻及干法刻蝕技術(shù)很難獲得光滑的刻蝕表面。

  因此《》如何在保證器件卓越性能的同時(shí)降低制造成本成為亟待解決的問題。北京大學(xué)的李艷萍副教授課題組在 Chinese Optics Letters ，第20卷第2期(Fan Yang, et al., Monolithic thin film lithium niobate electro-optic modulator with over 110 GHz bandwidth)上展示了一種通過晶圓級(jí)紫外光刻和濕法蝕刻制造的具有110 GHz以上帶寬的鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器，并被選為當(dāng)期Editors’ Pick。鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)和測試圖見圖1。該器件基于馬赫-增德爾干涉結(jié)構(gòu)，采用濕法刻蝕工藝避免了傳統(tǒng)干法刻蝕工藝中微掩膜和重沉積的影響，并且獲得了傳輸損耗約為0.2 dB/cm的光波導(dǎo)和高質(zhì)量的行波電極。同時(shí)，該器件具有低的半波電壓長度乘積(2.37 Vcm)和高的消光比(>23 dB)。在系統(tǒng)內(nèi)ADC/DAC帶寬限制的情況下，仍然可以支持高達(dá) 250 Gb/s 的 PAM-6 和 200 Gb/s 的 PAM-4 數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 (a)鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖 (b)波導(dǎo)和行波電極的掃描電鏡照片 (c)波導(dǎo)的原子力顯微鏡測試圖

  該器件的優(yōu)越性能顯示了通過光刻工藝提高產(chǎn)量和降低成本的潛力，證明了大規(guī)模和低成本制造鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器的可行性，并為鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器廣泛應(yīng)用于電信、微波光子系統(tǒng)等成本敏感的場景中邁出了重要一步。未來該課題組將專注于進(jìn)一步優(yōu)化器件的性能，并向更大規(guī)模集成的方向努力。