专业高效
微纳加工公司

摘要：薄膜铌酸锂由于其独特的压电和非线性特性，在高速通信领域引起了极大的兴趣。然而，其高光折射和较慢的电光响应弛豫引入了传输误码的可能性。最近，另一种压电和非线性材料钽酸锂由于其与铌酸锂相比光折射较弱、电光响应弛豫较快、光学损伤阈值较高、透明窗口较宽、双折射较低，成为有源光子集成器件的有希望的候选材料。在这里，我们开发了一种超低损耗钽酸锂集成光子平台，包括波导、光栅耦合器和微环腔。微环腔测得的最高光学Q因子超过107，对应的最低波导传播损耗为~1.88 dB / m。实验证明，此类钽酸锂微环腔中的光折变效应比铌酸锂微腔中的光折变效应弱 500 倍。

该工作为实现周期极化波导、声光调制器、电光调制器等一系列片上光学功能器件的钽酸锂集成平台奠定了基础。

*厚膜LNOI(8寸)/LTOI(6寸)/SLNOI (6寸)/SLTOI(6寸)X切Z切

SLT和SLN与其对应的同成分相比电光系数和非线性系数都有比较大的提高，有利于电光器件的制作。对于制作周期极化结构，其畴结构的变化和矫顽场的降低，制作的周期结构更加容易和质量更好。由于SLT折射率差值变得更小，Ppslt更容易在量子光学上得到应用。

*PPSLN/PPSLT

划重点--销售晶圆和加工

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆

划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书

1.介绍

铌酸锂因其优异的光电特性而一直被视为“光子学中的硅”。近年来，晶圆键合技术的发展使得铌酸锂光子集成电路 (PIC) 成为可能，并产生了广泛的应用 [1-11]。铌酸锂 PIC 平台的优势已在电光调制器和频率梳中得到证实 [4, 12, 13]。然而，进一步的研究表明，铌酸锂有许多缺点，包括光折射大、双折射高、电光响应松弛慢，这会限制片上电光调制器的稳定性。与铌酸锂相比，钽酸锂的电光和压电系数相近，但具有更高的光损伤阈值（514.5 nm 时为 1500 W/cm2）[14]、更宽的透明窗口（0.28–5.5 μm）[15]、更低的双折射（0.004）[16]、更低的微波损耗（6.5 × 10−4）[17]和更稳定的电光响应[18, 19]。同时，其在 5G 滤波器中的应用已进入大批量生产阶段，使其成为一种低成本、即用型大规模集成材料[15]。因此，钽酸锂可能是一种更可靠、更易于制备的下一代 PIC 开发材料。在这里，我们在薄膜钽酸锂上制作了超高 Q 值微环腔，以及耦合总线波导和光栅耦合器。我们用扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 对制作的器件进行了表征。我们分析了测量的透射光谱中的模式系列，并确定了 Q 因子和谐振器几何形状之间的统计关系。我们从几乎临界耦合的微环腔中测量了最高负载光学品质因数 >107，这对应于最低传播损耗 ~1.88 dB/m。我们还对这些超高 Q 钽酸锂微环腔在不同腔内功率下的光折变效应进行了详细的实验测量，并观察到即使在 320 mW 的高腔内功率下频率偏移也小于 3.2 GHz，这表明光折变效应比铌酸锂弱约 500 倍。

2. 结果与讨论

我们在 2 微米硅基氧化硅衬底 (NanoLN) 上的 400 纳米厚 x 切割钽酸锂上制作了微环腔。我们采用自上而下的纳米制造工艺制作微环腔。首先，通过等离子增强化学气相沉积在绝缘体上钽酸锂晶片上沉积一层薄薄的氧化硅作为硬掩模层。

其次，通过高分辨率电子束光刻定义器件图案，并使用 SF4/C4F8 气体混合物的等离子蚀刻将其转移到硬掩模层。

第三，通过在离子束蚀刻系统中进行氩等离子 (Ar+) 铣削，将器件图案从硬掩模层进一步转移到钽酸锂器件层。第四，在缓冲氧化物蚀刻剂中通过湿法蚀刻去除剩余的硬掩模，然后在 85°C 下浸泡在体积比为 2:2:1 的 H2O2、NH4OH 和 H2O 混合物中以去除再沉积物 [20, 21]。最后，将器件芯片在 500°C 下退火 2 小时，以提高晶体质量

图 1. (a) 薄膜钽酸锂上带有附近耦合总线波导的微环腔的光学显微镜图像。(b) 总线波导直线部分的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(c) 总线波导直线部分和微环腔中的模拟横截面光学模式分布。(d) 总线波导直线部分的横截面 SEM 图像。(e) 微环腔和总线波导之间耦合区域的测量 AFM 图像。(f) 薄膜钽酸锂蚀刻区域的表面粗糙度测量分布。

图 1(a) 显示了带有耦合总线波导的制造微环腔（半径 r = 80 µm）的顶视图光学显微镜图像。微环和总线波导之间的间隙为 500 nm，耦合长度会发生变化以实现微环的临界耦合。图 1(b) 显示了总线波导直线部分的放大 SEM 图像，显示蚀刻侧壁光滑。图 1(c) 显示了波导宽度 w = 1.5 µm 的总线波导直线部分和波导宽度 w = 4 µm 的微环腔中 TE0 模式的模拟横截面光学模式轮廓。较宽的波导具有较小的传播损耗，因为蚀刻侧壁上的散射损耗较少。图 1(d) 显示了总线波导直线部分的横截面 SEM 图像，该图像表明蚀刻深度为 hrib = 200 nm，板厚为 hslab = 200 nm，陡峭的侧壁与芯片表面的角度约为 60°。图 1(e) 显示了微环和总线波导之间耦合区域的测量 AFM 图像。该测量不仅再次确认了蚀刻深度 hrib = 200 nm，还表明微环和总线波导之间的间隙约为 500 nm。图 1(f) 显示了测量的表面蚀刻区域的粗糙度分布，均方根 (RMS) 值低至约 0.481nm。

为了便于光纤到芯片的耦合，我们在同一设备上制作了具有不同光栅间距 p 和蚀刻沟槽宽度 t 的芯片光栅耦合器。图 2(a) 显示了制作的光栅耦合器的 SEM 图像。图 2(b) 显示了图 2(a) 中用白色矩形标记的区域的特写视图。我们固定 p − t = 600 ± 50 nm，并将比率 t/p 从

0.44 变为 0.49。图 2(c) 绘制了我们制作的具有三个不同 a/p 值的光栅耦合器的测量透射光谱。我们观察到，t/p = 0.44、0.47 和 0.49 时的中心波长分别为 1520、1550 和 1600 nm。它们的耦合效率都约为 −7 dB，3 dB 带宽约为 100 nm。

图 2. (a) 制备的光栅耦合器的 SEM 图像。 (b) (a) 中用白框标记的区域的放大 SEM 图像。 光栅间距和蚀刻沟槽宽度分别用 p 和 t 标记。 (c) 测量具有不同 t/p 的光栅耦合器的归一化透射光谱，其中 p 固定在 1.175 µm。

我们通过将可调半导体激光器发出的光发送到总线波导的输入端并测量总线波导输出端的透射光强度来表征制备的微环腔。 图 3(a) 显示了环半径 r = 100 µm 的微环腔的宽范围归一化透射光谱。 该光谱表现出具有不同线宽和消光比的各种共振线形，因为宽度为 4 µm 的微环可以支持多种横向模式。可以根据谐振的线形、消光比和自由光谱范围 (FSR) 确定谐振的模式系列。由于基模的群指数最小，因此可以根据其最大的 FSR (~1.8 nm) 识别属于基模的谐振。我们测量了所有模式系列中基模的最高 Q 因子，这归因于其与波导侧壁的最小重叠。通过将测量的谐振下降与 Lorentzian 线形拟合，我们获得了最高负载品质因数 QL = 1.48 × 107，如图 3(c) 所示。相应的固有品质因数为 Qint = 2.33 × 107，这是从欠耦合条件下的 𝑄int = 2𝑄L/(1 + 𝑇0) 推断出来的 [22]，其中 T0 表示归一化的谐振传输。基于此值，我们基于 𝛼 = 10log10(𝑒―𝜅𝑖𝑛𝑔𝐿/𝑐) [23] 获得了 TE0 模式的最低传播损耗 α = 1.88 dB/m，方法是使用固有线宽 κi/2π = 9.6 MHz、群指数 ng = 2.155、波导长度 L = 1 m、光速 c = 3 ×108m/s。同一模式系列中的其他谐振也表现出超过 107 的超高 Q 因子。图 3(b) 表示波长为 1571.597 nm 的谐振，其中 QL = 1.1 × 107和相应的 Qint = 2 × 107。图 3(d) 表示波长为 1575.183 nm 处的谐振，其中 QL = 1.22 × 107且相应的 Qint= 2.02 × 107。

图 3. (a) 环半径 r = 100 µm 的微环腔的宽范围归一化透射光谱。(b)–(d) 放大的归一化透射光谱分别显示波长为 1571.597、1573.387 和 1575.183 nm 的谐振。

在另一个弯曲半径 r = 80 µm 的装置中，通过调整微环和总线波导之间的耦合长度，我们可以有效地减轻微环腔中高阶模式的激发。图 4 绘制了波长范围为 1595–1607 nm 的微环腔的测量归一化透射光谱，其中仅 TE0 模式被激发，FSR 为 ~2.34 nm。插图显示了波长为 1595.250、1597.577、1599.917、1602.267 和 1604.629 nm 的谐振放大光谱。这些谐振表现出单一或分裂下降，这可能是由于顺时针和逆时针模式之间的耦合导致的模式分裂所致。这种模式耦合通常很弱，只能在超高 Q 腔中观察到，其中谐振线宽甚至小于模式耦合率。

图 4. 环半径 r= 80 µm 的微环腔的宽范围归一化透射光谱。插图显示了波长为 1595.250、1597.577、1599.917、1602.267 和 1604.629 nm 的谐振光谱的放大图。

接下来，我们通过实验研究了这些超高 Q 值钽酸锂微环腔中的光折变效应。这种效应源于光诱导本征电场，导致材料在不同光功率下的折射率发生变化。我们选择了 1599.917 nm 处的 TE0 模式谐振，QL = 6.61 × 106 和 Qint = 1.02 × 107 来研究光折变效应。这些测得的 Q 因子略低于 100 µm 半径器件的 Q 因子，这可能是由于弯曲半径较小的弯曲波导侧壁上的光散射更强。图 5(a) 绘制了以 1 nm/s 的固定扫描速率沿短波长到长波长方向扫描激光波长所获得的测量归一化透射光谱。我们可以观察到，随着波导功率从 −21.08 增加到 −8.13 dBm，谐振波长略微向更短的波长偏移，这是由于钽酸锂的光折变效应。同时，谐振线形在高入射功率下也偏离理想的 Lorentzian 线形，这是由于热光效应。此外，由于光折变效应和热光效应之间的竞争，谐振频率可能会发生偏移或线形变形，如果是这样，则可以在波长扫描过程中观察到非线性光学振荡和脉动 [24]。然而，我们在图 5(a) 中没有观察到这种现象，这也证实了钽酸锂微环腔中的光折变效应较弱。图 5(b) 根据图 5(a) 中的测量数据绘制了谐振频率偏移与腔内光功率的关系。腔内光功率 Pcir 可以根据 [22] 中的 𝑃cir =FSR𝜋Δ𝑓FWHM2𝑄L𝑄c𝑃 关系从总线波导 Pin 中的输入功率推断出来，其中耦合品质因数 Qc 为 1.88 × 107，根据其定义 Qc=QincQL/(Qinc −QL)，ΔfFWHM 是谐振的 FWHM 线宽。很明显，具有小半径（大 FSR）的紧凑微环、实现临界耦合和窄谐振线宽都有助于提高腔内功率积累的谐振强度。对于我们制造的钽酸锂微环腔，TE0 模式的功率增强因子 Pcir/Pin 约为 2167。当腔内功率增加到 320 mW 时，谐振频率偏移最多为 3.2 GHz。这种光折变效应比在铌酸锂微环腔中观察到的效应弱约 500 倍 [25]。

图 5. (a) 用可调半导体激光器在固定扫描速率 1 nm/s 下在不同光功率下测量的钽酸锂镜腔的归一化透射光谱。总线波导中的光功率从 −21.08 到 −8.13 dBm 变化。 (b) 根据 (a) 中的测量数据，谐振频率偏移与腔内光功率的关系。

3. 结论

总之，我们在薄膜钽酸锂上制作了超高 Q 微环腔，并通过实验证明了其低光折变效应。我们采用 SEM 和 AFM 表征所制作器件的表面形貌，证实蚀刻表面的 RMS 粗糙度低至 0.481 nm。对于 TE0 模式，测得的最高加载光学品质因数为 1.48 × 107，由此可以推断出固有品质因数为 Qint =2.33 × 107，相应的波导传播损耗为 ~1.88 dB/m。

我们还通过测量不同输入功率下的谐振频率偏移来研究超高 Q 微环腔中的光折变效应。即使在腔内功率为 320 mW 时，谐振频率偏移也小于 3.2 GHz，这表明光折变效应比铌酸锂微环腔弱 ~500 倍。我们相信这些超高 Q 钽酸锂微环腔将得到广泛的应用，包括电信、传感、非线性光子学和量子光子学。

文章名：

Lithium tantalate microring cavities with Q factor exceeding 10 million

作者：JIANFENG HE, XINYI ZHAO, JIAN-BIN XU, AND XIANKAI SUN*

单位：Department of Electronic Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Shatin, New Territories,   Hong Kong SAR, China