光刻工藝制備寬帶鈮酸鋰薄膜電光調制器

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、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新一代信息技術推動下，寬帶化浪潮席卷全球，全球網絡信息容量呈指數(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絡面臨著容量、能耗和成本上的巨大壓力。電光調制器是實現(xiàn)信息光電轉換的核心器件，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制器芯片成為世界各國集中攻關的核心變革性技術之一。

  近年來，具有超高帶寬和低驅動電壓的鈮酸鋰薄膜電光調制芯片被陸續(xù)報道，展現(xiàn)了其在未來光子系統(tǒng)中的應用潛力。但目前芯片加工大多依賴于耗時的電子束曝光技術，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降低制造成本成為亟待解決的問題。北京大學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制器，并被選為當期Editors’ Pick。鈮酸鋰薄膜電光調制器結構和測試圖見圖1。該器件基于馬赫-增德爾干涉結構，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的光波導和高質量的行波電極。同時，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ADC/DAC帶寬限制的情況下，仍然可以支持高達 250 Gb/s 的 PAM-6 和 200 Gb/s 的 PAM-4 數(shù)據傳輸。

圖1 (a)鈮酸鋰薄膜電光調制器結構圖 (b)波導和行波電極的掃描電鏡照片 (c)波導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制器的可行性，并為鈮酸鋰薄膜電光調制器廣泛應用于電信、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一步優(yōu)化器件的性能，并向更大規(guī)模集成的方向努力。