晶圆级低损耗铌酸锂光子集成电路

引言

薄膜铌酸锂光子集成电路由于其优越的电光性能和较大的二阶光学非线性，近年来成为许多新兴应用的光子学平台。这是通过最近开发具有低传播损耗的高限制波导实现的，与无源材料平台相当。所需的低损耗和非线性材料特性可以很容易地补充现有平台，如磷化铟(InP)和硅(Si)光子学，其中缺乏固有的二阶非线性。在器件层面，超低电压和/或带宽超过100 GHz的调制器已得到验证。包括变频器和频率梳发生器在内的新型非线性光学元件也已在芯片级实现。这些高性能的基础构件有潜力在光通信、微波光子学、量子光子学和传感中实现许多新的应用。

实验

器件制造：

在这里，我们展示了在4英寸和6英寸晶圆上蚀刻的深紫外(DUV)光学光刻定义的薄膜LN PICs，在电信波长下传播损耗平均为0.27分贝/厘米，接近迄今为止一些最好的芯片级演示。为了解决物理蚀刻工艺中的光刻胶平滑问题，我们开发并采用了两步掩模技术，包括将DUV光刻定义的聚合物掩模转移到沉积在LN薄膜上的二氧化硅硬掩模上。我们使用标准的氟基干法蚀刻工艺将聚合物抗蚀剂图案转移到二氧化硅上，然后使用类似于电子束抗蚀剂图案化器件的氩电感耦合等离子体(ICP)反应离子蚀刻(RIE)蚀刻来蚀刻LN层。然后，我们使用这种晶圆级方法来制造各种光学器件，包括电光调制器、微环谐振器和定向耦合器。虽然这些装置在DUV的曝光时间不到一分钟，但是用电子束工艺，将需要超过8天的连续写入。

尺寸：

我们分析了蚀刻膜的厚度，并测量了4英寸晶片上300纳米蚀刻的标准偏差为5.9纳米。在加工前测量了LN薄膜厚度，如图1(a)，并且再次在蚀刻和掩模去除之后，在沉积最终的二氧化硅覆层之前，如图1(b)。由于用于薄膜厚度测量的白光干涉仪的光斑尺寸相对较大，以及薄膜LN晶片生产过程中产生的粗糙边缘，4英寸晶片上的可测量区域具有8毫米的边缘排除。从这两个厚度测量的差异，我们提取了蚀刻深度，如图1(c)，这表明我们的处理没有引入显著的额外厚度变化。此外，蚀刻后的大部分膜厚变化位于晶片边缘附近。图1(c)，膜厚标准偏差仅为3.2 nm。边缘的变化很可能归因于初始厚度变化和由于处理过程中晶片处理而导致的晶片边缘化学暴露减少的组合。

图1 测量4英寸晶片的LN厚度均匀性(a)器件加工前和(b)器件加工后

因此，我们的线宽测量是对光传播损耗的保守上限估计。我们通过对红色和蓝色激光扫描方向产生具有相同线宽的光谱，证实了光折变效应的最小化。

我们测量了4英寸晶片上蚀刻光波导的平均传播损耗为0.27分贝/厘米，标准偏差为0.05分贝/厘米。为了描述光传播损耗的特征，我们在22毫米乘22毫米的DUV刻线中加入了光学微环谐振器，该刻线横跨晶片。我们使用垂直光纤阵列将来自可调激光源的光耦合进和耦合出光栅耦合谐振器，并测量光电二极管上的输出功率，获得晶片上不同位置处器件的器件透射光谱，如图2。

图2 光栅耦合微环谐振器的典型共振谱

因此，我们的线宽测量是对光传播损耗的保守上限估计。我们通过对红色和蓝色激光扫描方向产生具有相同线宽的光谱，证实了光折变效应的最小化。我们在晶片上叠加了每次掩模版曝光的共振光谱如图2b，并且它们在线宽上是一致的，尽管最小透射率因制造变化引起的谐振器耦合间隙中谐振器负载的固有灵敏度而变化。

结果和讨论

标称传播损耗值< 0.3分贝/厘米时，包括电光调制器和变频器在内的许多应用现在可以经济地大规模生产。在单个器件水平上或更低的水平上进一步降低损耗仍有巨大的兴趣。该演示中获得的光传播损耗可能受到蚀刻粗糙度的限制。通过开发更平滑的硬掩模转移工艺，可以预期光学损耗会进一步改善，该工艺在本研究中尚未优化，并且已被证明会产生< 1dB/m的波导损耗，达到这样的损耗水平将使目前无法访问的新的光学组件库成为可能，例如接近无损的级联电光器件和/或超过米长度的长片上光学延迟线。我们的演示还为高通量晶圆级测试能力开辟了新的机会，极大地加快了使用探针和光栅耦合器的硅光子学的发展。

这项工作(图3(a)，3(b))也表明，如所预期的，金属化过程对光波导层上的变化不敏感。这使得在不久的将来实现以晶圆级为特征的超高速电光器件成为可能，这是缩短LN PICs开发周期的关键。

图3 使用深紫外光刻和标准蚀刻工艺制备的6英寸(a)和4英寸(b)薄膜镍酸锂晶片的照片。(c)显示典型器件侧壁粗糙度的扫描电镜图像，可与电子束光刻制作的器件相媲美

总结

我们的结果表明，低光损耗的LN PICs可以在晶片级上以高产量制造出均匀性好的LN PICs。虽然光学损耗和薄膜厚度变化与分别在SOI上实现的LN和均匀性的材料极限相比仍有改进的空间，但我们的工作是实现大规模、复杂和低损耗的高产量电光和非线性pic的第一步。这可以促进新兴大规模光子学应用的发展，如量子光子学和光子神经网络。此外，高通量制造工艺可以大幅降低器件成本，使LN PIC技术能够在数据和电信、传感和微波光子学等更广泛的成本敏感应用中发挥作用。除了单片LN PICs之外，标准的绝缘体上铌酸锂(LNOI)结构和出色的无源光学性能可能会激发人们对在薄膜LN上实现非均匀集成光学系统的兴趣，该光学系统集成了激光器和探测器，以实现同类最佳的性能。