光通信和计算系统因光子集成电路（PICs）的快速发展而发生了革命性变化，PICs将多个光学设备和功能集成在单个芯片上。尽管硅基PICs因其成本效益和与现有半导体制造技术的兼容性而长期占据主导地位，但它们在电光调制带宽方面的局限性一直存在。然而，硅绝缘体光接收芯片已成功商业化，推动了现代数据中心数百万个玻璃纤维中的信息流量。
最近，铌酸锂绝缘体晶片平台因其强大的Pockels系数而成为光子集成电路电光调制器的优越材料，Pockels系数对于高速光调制至关重要。尽管如此，高昂的成本和复杂的生产要求限制了铌酸锂的更广泛采用，限制了其商业集成。
铌酸锂钽（LiTaO3），作为铌酸锂的近亲，承诺克服这些障碍。它具有类似的优秀电光质量，但在可扩展性和成本方面优于铌酸锂，因为它已经广泛用于电信行业的5G射频滤波器。
由EPFL的Tobias J. Kippenberg教授和上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导的科学家们现已创建了一种基于铌酸锂钽的新型PIC平台。该PIC利用材料的固有优势，并通过使高质量PICs在经济上更可行，从而有可能改变该领域。这一突破性成果于5月8日发表在《自然》杂志上。
研究人员为铌酸锂钽开发了一种晶片键合方法，该方法与硅绝缘体生产线兼容。然后，他们用类似金刚石的碳掩蔽薄膜铌酸锂钽晶片，并进行光学波导、调制器和超高品质因数微共振器的刻蚀。
刻蚀是通过结合深紫外线（DUV）光刻和干刻技术实现的，这些技术最初是为铌酸锂开发的，然后经过精心调整以刻蚀更硬、更惰性的铌酸锂钽。这种调整涉及优化刻蚀参数以最小化光学损耗，这是实现光子电路高性能的关键因素。
通过这种方法，团队能够制造出具有仅5.6 dB/m的光学损耗率的高效铌酸锂钽PICs，适用于电信波长。另一个亮点是电光Mach-Zehnder调制器（MZM），这是一种在当今高速光纤通信中广泛使用的设备。铌酸锂钽MZM提供了1.9 V cm的半波电压-长度乘积和达到40 GHz的电光带宽。
研究的第一作者王成利说：“在保持高效的电光性能的同时，我们还在这个平台上产生了孤子微梳。” “这些孤子微梳具有大量相干频率，当与电光调制能力结合时，特别适合于并行相干LiDAR和光子计算等应用。”
铌酸锂钽PIC的降低双折射（折射率对光偏振和传播方向的依赖性）允许密集电路配置，并确保在所有电信波段上具有广泛的操作能力。这项工作为可扩展、成本效益高的先进电光PICs的制造铺平了道路。
这项研究不仅展示了铌酸锂钽在光电子集成电路中的应用潜力，而且强调了材料科学在推动光通信和计算技术发展中的重要性。那么，您如何看待这种新型PIC技术对未来光电子行业的影响？您认为它将如何改变我们的通信和数据处理方式？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨光子学的未来。
参考资料：DOI： 10.1038/s41586-024-07369-1
