氮化硅折射率与硅含量

长三角G60激光联盟导读

瑞士洛桑联邦理工学院等机构研究小组对购买的铌酸锂光子集成电路进行研究。相关研究成果以“High density lithium niobate photonic integrated circuits”为题发表在《Nature Communications》上。

光子集成电路有潜力渗透到传统光学的多种应用中。对新应用研究热度高的是铌酸锂等铁电材料，它们表现出巨大的泡克尔斯效应，但很难通过干法蚀刻加工。本文中，研究人员证明了类金刚石薄膜（DLC）是制造基于铁电材料（特别是铌酸锂材料）的光子集成电路的上佳材料。使用 DLC 作为硬掩模，研究人员展示了深度蚀刻、紧密约束、低损耗波导的制造工艺，其损耗低至 4 dB/m。与广泛使用的脊型波导相比，这种方法在保持高效电光调制、低损耗的同时，还能将面积集成密度提高一个数量级以上，并为高效光纤接口提供了一条途径。作为概念验证，研究人员展示了一种基于 III-V/LiNbO3 的激光器，其本征线宽为亚千赫，调谐速率为 0.7 PHz/s，具有出色的线性度和 CMOS 兼容的驱动电压。研究人员还展示了一个长度为 1.73 厘米、半波电压为 1.94 V 的 MZM 调制器。

集成光子电路主要依赖于实现晶圆级制造，这也具有低损耗和实现光刻精度和可重复性。因此，一个具有超低损耗、垂直侧壁的全蚀刻条形波导的LiNbO3光子集成电路平台的建立和成功地用于硅和氮化硅的商业应用，将是非常理想的。在这里，研究人员通过引入DLC(类金刚石-碳)作为硬掩膜工艺来克服这一挑战，并展示了基于LiNbO3条形波导的光子集成电路，它具有高产量、超低损耗（<4 dB/m）的特点，其面积密度比以前的脊型波导（即部分蚀刻法）高出 10 倍。

类金刚石薄膜（DLC），具有高硬度、耐划伤和无定形X射线散射特性。如今，DLC被广泛用作医疗设备、剃须刀片或MEMS传感器的保护涂层。DLC薄膜可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积，硬度高达20 GPa或物理气相沉积-硬度高达80 GPa。作为一种无定形的碳同素异形体，DLC可以很容易地用氧等离子体蚀刻，蚀刻后产生光滑的边界。在20世纪90年代，人们已经认识到DLC也适合作为集成电路制造的蚀刻掩模，但它作为硬掩模的使用并没有增加。低氩离子溅射率和DLC优异的化学稳定性是任何集成光学材料蚀刻非常需要的优异性能，如LiNbO3, SiO2, BaTiO3, Si和Si3N4，因为它们限制了决定表面粗糙度和导致倾斜波导侧壁角的掩模侵蚀过程。

密闭铌酸锂光子集成电路平台

图1a描绘了用研究人员基于DLC的工艺制造的光学微谐振器的扫描电子显微图(SEM)。彩色插图突出了波导侧壁和高纵横比的正负特征，如定向耦合器和反锥(见图1b-d)。正特征的临界尺寸为300 nm，负特征的临界尺寸为200 nm，侧壁角为80°。宽度为250 nm的反向锥扩展了波导模式，足以支持从透镜光纤到LiNbO3 PIC的低损耗输入耦合，达到3 dB/facet，而无需两步蚀刻过程，而在脊型波导和异质集成的混合LiNbO3- SI3N4波导中需要达到类似的电平（dB），以减轻典型的5-10 dB facet插入损耗。

图1e, f将研究人员的波导与具有350 nm蚀刻深度和250 nm剩余板(顶部宽度为1.5 μm)的脊型LiNbO3波导进行了比较，其中已经证明了低损耗操作。至关重要的是，LiNbO3板诱导了具有高折射率的连续泄漏模式，这些模式耦合到弯曲波导部分的导模。如图1g, h, k所示的数值模拟表明，如果平板减薄到100 nm并完全去除，弯曲波导半径为20μm的弯曲损耗分别减少了9和12个数量级。在所有的数值模拟中，都假设顶部波导宽度为2 μm，厚度为0.7 μm。完全蚀刻的条形波导(见图1a)在弯曲半径低于20 μm处具有严格的光模式约束，与目前用于环形谐振器等器件的脊波导结构相比，可以实现光学元件在芯片上的密集集成，其面积密度提高了16倍。

虽然由于高介电常数LiNbO3，残余板层可以提高调制效率，但增加的光学约束允许将电极放置在更靠近波导的地方，这使得电光调制效率可以与脊型波导竞争和混合波导，而不会在金属电极界面处引起过多的欧姆损耗(见图1i，j) 。事实上，研究人员的数值模拟表明，在0.1 dB m−1的欧姆损耗目标下，过渡到完全蚀刻的条形波导，只会导致直流调制电压长度积的10%损失(见图1l)。

图1:密闭铌酸锂光子集成电路平台。

DLC硬掩模制作工艺

图2a描述了研究人员的低损耗LiNbO3条波导制造的示意图工艺流程。研究人员的制造工艺的显著特点是使用300 nm厚的DLC薄膜，该薄膜通过PECVD从甲烷前驱体中生长，作为物理离子束蚀刻工艺的硬掩膜材料。沉积的DLC薄膜的金刚石压痕硬度为19-23 MPa(见图2f)，硬度是SiO2和LiNbO3的两倍。薄膜的化学成分通过拉曼光谱测量(见图2h)。分析了1312.4 cm−1和1541.0 cm−1下的两种C-C拉伸模式(D,G)，研究人员发现研究人员的薄膜含有高达5%的sp3杂化C原子和大量的氢含量，这将材料分类为无定形类金刚石碳膜(a-C:H)，典型的使用甲烷前驱体的PECVD沉积。研究人员精心优化了工艺，以促进DLC在晶圆尺度上的均匀生长，使应力和颗粒污染最小，这对光子集成波导结构的制造至关重要。

光波导图案是由DUV步进光刻(248 nm)构造的，并首先使用标准的基于氟化物化学的等离子体蚀刻转移到氮化硅掩膜层上。这种中间掩模具有优异的氧等离子体蚀刻性能，研究人员使用它将波导图案转移到DLC硬掩模中(见图2c)。通过优化的氩离子束刻蚀(IBE)， LN和DLC之间的刻蚀选择性高达×3，可以实现深度刻蚀和侧壁陡直。图1e为全蚀刻LiNbO3条型波导的SEM横截面，波导基宽为3.3 μm，高为0.7 μm，侧壁角为80°。相比之下，目前采用的软SIO2基掩模仅限于×1的蚀刻选择性。薄膜硬度与材料在IBE中的蚀刻速率直接相关，如图2所示为与LiNbO3相比的蚀刻选择性。值得注意的是，研究人员的薄膜硬度为20GPa，是DLC薄膜可达到的硬度范围的下限。

研究人员使用SC-1溶液(NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5)去除波导侧壁上粗糙的LiNbO3再沉积(见图2d)，并使用氧等离子体去除残留的DLC掩膜(见图2d)，以显示波导核心(见图2e)。接下来，研究人员通过基于DUV步进光刻的提升工艺制备电极，研究人员通过电子束蒸发沉积5 nm的钛附着层和400 nm的金层。最后，晶圆通过深干蚀刻和背面研磨分离成芯片，来获得干净、垂直和光滑的表面，而无需硅基座，以实现有效的波导边缘耦合。

图2:基于类金刚石薄膜(DLC)硬掩膜的制备工艺。

高密度LiNbO3光子集成电路特性

研究人员展示了研究方法的高密度，并制造了创纪录的小型LiNbO3光子集成谐振器，可用于各种应用，包括滤波器谐振器等。需要强调的是，当使用脊型波导时，这种微谐振器会表现出低Q因子，从而表现出泄漏到残留的LiNbO3层中。最后，研究人员测量了具有967 GHz FSR的微谐振器的平均固有腔线宽为55 MHz，对应的环直径为40 μm(如图3d所示)，证实了高密度LN光子集成电路的制造。

图3:高度受限的X切割和Z切割LiNbO3光子集成微谐振器特性。

基于紧密约束铌酸锂光子集成电路的超快可调谐低噪声激光器

图4a显示了集成LNOI激光器示意图。DFB激光器被自注入锁定在基于LNOI光子芯片的赛道谐振器上。LNOI波导内部的体散射和表面散射诱导反向散射光，触发激光自注入锁定和频率噪声降低。4b展示了带电极的谐振器的SEM，包括带电极的波导的高分辨率插入(c，红色)和耦合部分(d，蓝色)；4e用于激光表征的光学装置示意图。使用自由运行的Toptica CTL作为参考的外差节拍测量可使用快速光电探测器(FPD)和电气频谱分析仪(ESA)测量激光频率噪声。光谱分析仪(OSA)。4f LNOI激光发射光谱。边模抑制比(SMSR)大于60 dB。4g展示了LNOI激光器自注入锁定到谐振器时的频率噪声单面PSD, FSR为81 GHz(红色)，自由运行状态(绿色)。4h显示二极管电流线性调谐后激光频率变化的频谱图，虚线区域对应于2.5 GHz范围，激光自注入锁定，激光频率波动最小，激光线宽减小。

图4:基于紧密约束LiNbO3光子集成电路的III-V自注入锁定激光器。

频率捷变激光调谐

接下来，研究人员利用LiNbO3微谐振器的泡克尔斯效应证明了激光的快速频率驱动能力。图4d显示了在保持激光锁定在LiNbO3腔内的情况下，LiNbO3谐振器频率可以调谐的最大范围。图5b显示了LiNbO3平台与压电驱动器相比的优势之一——使用矢量网络分析仪测量的调制响应函数(见图5a)在腔截止频率之前是平坦的，并且芯片的机械模式没有被激发。在自注入锁定范围内，LiNbO3微谐振腔频率的变化直接改变激光输出频率，而不需要对二极管电流进行额外的反馈。图5c显示了DFB激光器锁定在LiNbO3谐振器上的外差拍频实验的主要结果。图5c给出了处理后的激光频谱图，以及在10 kHz、100 kHz和1 MHz频率下，将2 Vp-p振幅的三角形斜坡作用于电极时，相应的RMS非线性图。

图5:自注入锁定III-V LiNbO3基激光器的快速电光调谐。

总之，研究人员开发了一个高密度铌酸锂绝缘体光子集成电路平台，该平台基于以类金刚石薄膜（DLC）为蚀刻掩膜的深度蚀刻条形波导，具有严格的光学约束。研究人员的工艺很容易应用于各种抗氧等离子体蚀刻的光子材料。其中包括硅、二氧化硅、氮化硅，以及除LiNbO3以外的铁电氧化物，如BaTiO3或LiTaO3。

与基于LiNbO3的脊型波导相比，在相似的损耗水平下，研究人员的完全蚀刻几何结构提供了小四倍的最小弯曲半径，这对应于光子成分密度的潜在增加了16倍而不牺牲电光调制效率，这对于具有大型开关结构或光子网络的经典光子和量子计算应用是非常有利的。以类似的方式，增加的光约束和小弯曲半径可以极大地有利于其他电光量子技术，如量子相干微波到光转换器。电光材料可以使激光器具有平坦的驱动带宽和非常快的光学调谐，带宽可达多兆赫兹。该系统是相干(FMCW)激光测距应用的一个极具应用潜力的候选者，并且能够将电压驱动降低到CMOS水平，同时实现GHz调谐范围、良好的线性度、无可测量的迟滞和低激光相位噪声。

相关论文链接：

Li, Z., Wang, R.N., Lihachev, G. et al. High density lithium niobate photonic integrated circuits. Nat Commun 14, 4856 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40502-8

长三角G60激光联盟陈长军转载

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