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、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(wǎng)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(wǎng)絡面臨著容量、能耗和成本上的巨大壓力。電光調(diào)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(diào)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(qū)動電壓的鈮酸鋰薄膜電光調(diào)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(diào)制器，并被選為當期Editors’ Pick。鈮酸鋰薄膜電光調(diào)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(zhì)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(nèi)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(jù)傳輸。

圖1 (a)鈮酸鋰薄膜電光調(diào)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(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。