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(wǎng)、虛擬現實(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 )信息容量呈指數增長(cháng)。作為信息系統中的重要一環(huán)，以光波為載體的光通信網(wǎng)絡(luò )面臨著(zhù)容量、能耗和成本上的巨大壓力。電光調制器是實(shí)現信息光電轉換的核心器件，因此大帶寬、低功耗、小型化和可大規模制造的新型電光調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(lái)，具有超高帶寬和低驅動(dòng)電壓的鈮酸鋰薄膜電光調制芯片被陸續報道，展現了其在未來(lái)光子系統中的應用潛力。但目前芯片加工大多依賴(lài)于耗時(shí)的電子束曝光技術(shù)，成本高且很難大規模制作。而常規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(wèn)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(guò)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(jiàn)圖1。該器件基于馬赫-增德?tīng)柛缮娼Y構，采用濕法刻蝕工藝避免了傳統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(shí)，該器件具有低的半波電壓長(cháng)度乘積(2.37 Vcm)和高的消光比(>23 dB)。在系統內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(guò)光刻工藝提高產(chǎn)量和降低成本的潛力，證明了大規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、微波光子系統等成本敏感的場(chǎng)景中邁出了重要一步。未來(lái)該課題組將專(zhuān)注于進(jìn)一步優(yōu)化器件的性能，并向更大規模集成的方向努力。