晶圓級低損耗鈮酸鋰光子集成電路

引言

薄膜鈮酸鋰光子集成電路由于其優(yōu)越的電光性能和較大的二階光學(xué)非線性，近年來成為許多新興應(yīng)用的光子學(xué)平臺。這是通過最近開發(fā)具有低傳播損耗的高限制波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，與無源材料平臺相當(dāng)。所需的低損耗和非線性材料特性可以很容易地補(bǔ)充現(xiàn)有平臺，如磷化銦(InP)和硅(Si)光子學(xué)，其中缺乏固有的二階非線性。在器件層面，超低電壓和/或帶寬超過100 GHz的調(diào)制器已得到驗(yàn)證。包括變頻器和頻率梳發(fā)生器在內(nèi)的新型非線性光學(xué)元件也已在芯片級實(shí)現(xiàn)。這些高性能的基礎(chǔ)構(gòu)件有潛力在光通信、微波光子學(xué)、量子光子學(xué)和傳感中實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)

器件制造：

在這里，我們展示了在4英寸和6英寸晶圓上蝕刻的深紫外(DUV)光學(xué)光刻定義的薄膜LN PICs，在電信波長下傳播損耗平均為0.27分貝/厘米，接近迄今為止一些最好的芯片級演示。為了解決物理蝕刻工藝中的光刻膠平滑問題，我們開發(fā)并采用了兩步掩模技術(shù)，包括將DUV光刻定義的聚合物掩模轉(zhuǎn)移到沉積在LN薄膜上的二氧化硅硬掩模上。我們使用標(biāo)準(zhǔn)的氟基干法蝕刻工藝將聚合物抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到二氧化硅上，然后使用類似于電子束抗蝕劑圖案化器件的氬電感耦合等離子體(ICP)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)蝕刻來蝕刻LN層。然后，我們使用這種晶圓級方法來制造各種光學(xué)器件，包括電光調(diào)制器、微環(huán)諧振器和定向耦合器。雖然這些裝置在DUV的曝光時(shí)間不到一分鐘，但是用電子束工藝，將需要超過8天的連續(xù)寫入。

尺寸：

我們分析了蝕刻膜的厚度，并測量了4英寸晶片上300納米蝕刻的標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.9納米。在加工前測量了LN薄膜厚度，如圖1(a)，并且再次在蝕刻和掩模去除之后，在沉積最終的二氧化硅覆層之前，如圖1(b)。由于用于薄膜厚度測量的白光干涉儀的光斑尺寸相對較大，以及薄膜LN晶片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粗糙邊緣，4英寸晶片上的可測量區(qū)域具有8毫米的邊緣排除。從這兩個(gè)厚度測量的差異，我們提取了蝕刻深度，如圖1(c)，這表明我們的處理沒有引入顯著的額外厚度變化。此外，蝕刻后的大部分膜厚變化位于晶片邊緣附近。圖1(c)，膜厚標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為3.2 nm。邊緣的變化很可能歸因于初始厚度變化和由于處理過程中晶片處理而導(dǎo)致的晶片邊緣化學(xué)暴露減少的組合。

圖1 測量4英寸晶片的LN厚度均勻性(a)器件加工前和(b)器件加工后

因此，我們的線寬測量是對光傳播損耗的保守上限估計(jì)。我們通過對紅色和藍(lán)色激光掃描方向產(chǎn)生具有相同線寬的光譜，證實(shí)了光折變效應(yīng)的最小化。

我們測量了4英寸晶片上蝕刻光波導(dǎo)的平均傳播損耗為0.27分貝/厘米，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05分貝/厘米。為了描述光傳播損耗的特征，我們在22毫米乘22毫米的DUV刻線中加入了光學(xué)微環(huán)諧振器，該刻線橫跨晶片。我們使用垂直光纖陣列將來自可調(diào)激光源的光耦合進(jìn)和耦合出光柵耦合諧振器，并測量光電二極管上的輸出功率，獲得晶片上不同位置處器件的器件透射光譜，如圖2。

圖2 光柵耦合微環(huán)諧振器的典型共振譜

因此，我們的線寬測量是對光傳播損耗的保守上限估計(jì)。我們通過對紅色和藍(lán)色激光掃描方向產(chǎn)生具有相同線寬的光譜，證實(shí)了光折變效應(yīng)的最小化。我們在晶片上疊加了每次掩模版曝光的共振光譜如圖2b，并且它們在線寬上是一致的，盡管最小透射率因制造變化引起的諧振器耦合間隙中諧振器負(fù)載的固有靈敏度而變化。

結(jié)果和討論

標(biāo)稱傳播損耗值< 0.3分貝/厘米時(shí)，包括電光調(diào)制器和變頻器在內(nèi)的許多應(yīng)用現(xiàn)在可以經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模生產(chǎn)。在單個(gè)器件水平上或更低的水平上進(jìn)一步降低損耗仍有巨大的興趣。該演示中獲得的光傳播損耗可能受到蝕刻粗糙度的限制。通過開發(fā)更平滑的硬掩模轉(zhuǎn)移工藝，可以預(yù)期光學(xué)損耗會進(jìn)一步改善，該工藝在本研究中尚未優(yōu)化，并且已被證明會產(chǎn)生< 1dB/m的波導(dǎo)損耗，達(dá)到這樣的損耗水平將使目前無法訪問的新的光學(xué)組件庫成為可能，例如接近無損的級聯(lián)電光器件和/或超過米長度的長片上光學(xué)延遲線。我們的演示還為高通量晶圓級測試能力開辟了新的機(jī)會，極大地加快了使用探針和光柵耦合器的硅光子學(xué)的發(fā)展。

這項(xiàng)工作(圖3(a)，3(b))也表明，如所預(yù)期的，金屬化過程對光波導(dǎo)層上的變化不敏感。這使得在不久的將來實(shí)現(xiàn)以晶圓級為特征的超高速電光器件成為可能，這是縮短LN PICs開發(fā)周期的關(guān)鍵。

圖3 使用深紫外光刻和標(biāo)準(zhǔn)蝕刻工藝制備的6英寸(a)和4英寸(b)薄膜鎳酸鋰晶片的照片。(c)顯示典型器件側(cè)壁粗糙度的掃描電鏡圖像，可與電子束光刻制作的器件相媲美

總結(jié)

我們的結(jié)果表明，低光損耗的LN PICs可以在晶片級上以高產(chǎn)量制造出均勻性好的LN PICs。雖然光學(xué)損耗和薄膜厚度變化與分別在SOI上實(shí)現(xiàn)的LN和均勻性的材料極限相比仍有改進(jìn)的空間，但我們的工作是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、復(fù)雜和低損耗的高產(chǎn)量電光和非線性pic的第一步。這可以促進(jìn)新興大規(guī)模光子學(xué)應(yīng)用的發(fā)展，如量子光子學(xué)和光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，高通量制造工藝可以大幅降低器件成本，使LN PIC技術(shù)能夠在數(shù)據(jù)和電信、傳感和微波光子學(xué)等更廣泛的成本敏感應(yīng)用中發(fā)揮作用。除了單片LN PICs之外，標(biāo)準(zhǔn)的絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)結(jié)構(gòu)和出色的無源光學(xué)性能可能會激發(fā)人們對在薄膜LN上實(shí)現(xiàn)非均勻集成光學(xué)系統(tǒng)的興趣，該光學(xué)系統(tǒng)集成了激光器和探測器，以實(shí)現(xiàn)同類最佳的性能。
?

　　審核編輯：ymf