鈮酸鋰薄膜（TFLN）因其強(qiáng)大的電光系數(shù)、較大的光學(xué)非線性和較寬的透明窗口，顯示出作為集成光子學(xué)平臺(tái)的巨大潛力。

TFLN可用于開發(fā)各種光電元件，但由于鈮酸鋰 (LN) 本身不能提供光源和光電檢測，因此大多數(shù)TFLN器件必須依賴外部激光器和光電檢測器。片上集成的高性能光電探測器對于挖掘 TFLN作為光子集成電路 (PIC)平臺(tái)的潛力至關(guān)重要。

(a) 帶有預(yù)定義波導(dǎo)和無源元件的TFLN晶圓。(b)裸InP/InGaAs晶圓。(c) InP/InGaAs晶圓和 TFLN 晶圓鍵合。(d) InP/InGaAs晶圓襯底去除。(e) N mesa干蝕刻。(f) P mesa干蝕刻。(g) CPW 焊盤的SU-8基底。(h) 金屬電鍍和脫模。

《激光制造網(wǎng)》獲悉，最近發(fā)表在《Light: Advanced Manufacturing》上的一篇來自西南交通大學(xué)的論文表明，為了滿足這一需求，該院校的研究人員將改進(jìn)型單向載流子（MUTC）光電二極管晶圓異構(gòu)集成到帶有預(yù)定義波導(dǎo)和無源元件的TFLN晶片上。MUTC光電二極管同時(shí)提高了 TFLN平臺(tái)的帶寬和響應(yīng)度。

研究人員通過干蝕刻LN波導(dǎo)和無源器件來啟動(dòng)制造過程。他們采用混合蝕刻方法來形成器件臺(tái)面。在完成金屬電鍍和脫模后，對芯片進(jìn)行切割和拋光。研究小組對外延層結(jié)構(gòu)、LN波導(dǎo)幾何形狀和共面波導(dǎo)墊幾何形狀等進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)大帶寬和高響應(yīng)率。

為了評估TFLN器件的性能，該團(tuán)隊(duì)將該器件應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它能高質(zhì)量地檢測到32 Gbaud的四級脈沖幅度調(diào)制 (PAM4) 信號。這些結(jié)果證明了TFLN平臺(tái)上的光電二極管在支持下一代高速傳輸系統(tǒng)方面的潛力。

該器件的3-dB帶寬達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的110 GHz，可與最先進(jìn)的 TFLN 調(diào)制器相媲美?；诰A級TFLN磷化銦（InP）異質(zhì)集成技術(shù)的波導(dǎo)耦合光電二極管在1550納米波長下的暗電流約為 1 nA（納安培），響應(yīng)率為 0.4 A/W（安培/瓦）。

(a) 不同長度器件的測量（藍(lán)色圓圈）和模擬（黑色虛線）響應(yīng)率。(b) 不同有效面積器件的傳輸時(shí)間限制帶寬（藍(lán)色實(shí)線）、RC限制帶寬（紅色實(shí)線）、總帶寬（黑色虛線）和測量帶寬（黑色圓圈）。(c) 32-Gbaud PAM4信號的測量誤碼率(BER)與接收光功率的關(guān)系。(d) 10、20和32 Gbaud PAM4信號的眼圖和測量波形。

TFLN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的模式約束和高非線性效率，因此在光通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它已被用于構(gòu)建各種緊湊型集成光子器件，包括高性能調(diào)制器、偏振管理器件和寬帶梳頻源。

然而，LN在實(shí)現(xiàn)光源和光檢測器方面的固有困難阻礙了基于TFLN的集成光子學(xué)平臺(tái)的發(fā)展。該團(tuán)隊(duì)在TFLN平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了超寬帶光電二極管的晶圓級集成，朝著解決這一問題邁出了重要一步。

研究人員證明，在TFLN平臺(tái)上異構(gòu)集成光電二極管具有應(yīng)用于下一代高速傳輸系統(tǒng)的潛力。

這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多功能、高性能TFLN光子集成電路鋪平了道路。此外，它還為超高速光通信、高性能集成微波光子學(xué)和多功能集成量子光子學(xué)帶來了希望。