【资讯】浙江大学刘柳团队：薄膜铌酸锂异质集成光电芯片研究进展

光电集成芯片（PIC）对于光电系统微型化、芯片化及智能化的发展具有至关重要的意义。然而与目前能够轻易集成上亿个器件的电子芯片相比，PIC的发展则缓慢很多。其中一项重要因素在于，光电器件的种类繁多且制作工艺互不兼容，无法像电子芯片那样，仅需要实现晶体管、电容、电阻等少数种类单元器件。研究者们曾致力于发展单一材料平台上的各种光电器件，试图沿袭硅基电子芯片的发展路线，但这种单片集成技术离实用仍然有一定距离。

       目前，硅和薄膜铌酸锂（TFLN）是最有希望支撑大规模光电集成芯片的两种平台技术。基于前者的各种光器件虽然性能达不到最优，但其特有的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容工艺以及方便与电器件集成的优势，一定程度上掩盖了这些不足。但另一方面，硅光调制器性能受限于硅材料中载流子动态特性，对于下一代单波400 Gbps的应用来说将力不从心。基于TFLN的电光调制器目前已经可以同时实现带宽>100 GHz、半波电压<1 V、插入损耗<3 dB，性能显著优于硅光调制器，但铌酸锂无法实现发光和高速光探测等功能。综合考虑，异质集成在可见的未来，仍将是支撑硅和TFLN光电芯片向完整功能发展的一项关键技术。

       直接通过外延生长将不同的材料进行层叠，是一种最直观的异质集成方案。但由于各种光电材料大多为晶体，而不同晶体材料的晶格常数存在显著差异，使得异质外延在技术上仍然存在一定的难度。文章着重介绍和比较了键合与微转印这两种更加通用的异质集成技术，及其在TFLN异质集成中的应用。

       键合技术通常指将整片功能材料芯片/晶圆与目标材料晶圆进行面对面贴合并去除其原始衬底，从而在目标晶圆上留下高质量的功能薄膜，但当功能薄膜的需求面积远小于目标晶圆总面积时，会造成昂贵功能材料的浪费。

       微转印技术利用弹性印章的可调粘附性，从供体芯片/晶圆上拾取预先加工好的功能元器件，并将其精准地放置到受体晶圆上的目标位置，该技术能够实现相当高的材料利用率，但尚处于早期研发阶段。

图1 异质集成技术的工艺流程示意图。（a）芯片键合的工艺流程；（b）微转印的工艺流程

2.1 Si/SiN平台上异质集成TFLN

       Si材料平台天然缺乏线性电光效应和二阶非线性光学效应，限制了各种高性能器件的发展，例如目前基于硅材料自由载流子色散效应的调制器带宽通常只能达到60 GHz左右。将TFLN异质集成到Si材料平台上，能够融合硅的高集成度与铌酸锂优异的电光和非线性光学特性，开发出包括超高速片上电光调制器、片上电光开关、片上电场传感器、片上可调谐激光器和片上非线性波长转换器在内的高性能异质集成器件。

       SiN波导具有比Si波导更低的传输损耗、更宽的透明窗口、更高的非线性克尔系数和光功率承受能力，实现SiN波导与TFLN的异质集成同样具有重要意义。研究人员基于SiN/TFLN平台开发出了近红外波段高速光调制器、低功耗高灵敏度电光频梳光谱仪和超连续谱生成等一系列先进的异质集成功能器件。

图2 TFLN-Si/SiN异质集成光学器件。（a）基于芯片键合的TFLN-Si马赫-曾德尔电光调制器 [图片来自Optics Express, 2018, 26(18)]；（b）基于微转印的TFLN-SiN微环电光调制器 [图片来自Optics Letters, 2025, 50(16)]；（c）基于微转印的TFPPLN-SiN非线性光频转换器 [图片来自Laser & Photonics Reviews, 2025, 20(3)]；（d）基于微转印的TFLN-Si马赫-曾德尔型电光调制器 [图片来自Optics Express, 2025, 33(18)]；（e）基于微转印的TFLT-SiN马赫-曾德尔电光调制器 [图片来自Nature Photonics, 2026, 20]

2.2 绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台上异质集成其他材料

       将TFLN本身作为构建光子集成电路的核心材料平台，能够完全释放铌酸锂材料自身的优势，构建具有更复杂功能的片上光子系统。这种对性能的极致追求，在超高速相干光收发、集成光学频率梳生成、高性能片上光计算、微波光子通信系统以及量子光源制备与调控等前沿应用领域中具有不可替代的价值。

       近年来，研究人员通过键合和微转印等技术在LNOI平台上实现了各种高性能器件的异质集成，包括片上激光器、光放大器、光探测器和量子器件等，补全了LNOI平台自身缺失的功能。

图3 LNOI平台上的异质集成光学器件。（a）基于键合的InP宽带光源 [图片来自Optics Letters, 2022, 47(17)]；（b）基于键合的InP可调谐激光器 [图片来自Nanophotonics, 2025, 14(26)]；（c）基于键合的片上光电探测器及其在光子计算加速芯片中的应用 [图片来自Nature Communications, 2025, 16(1)]；（d）基于微转印的片上量子光源及其在大规模量子芯片网络中的应用 [图片来自Nature Materials, 2025, 24(12)]

       TFLN同时具有高电光调制性能和低光学损耗，已经被广泛认为是支撑下一代高速调制器件的关键技术。如何将TFLN调制结构与其他光电器件集成，形成完整功能的光电芯片，则仍然需要借助异质集成技术。从技术方案上来说，将TFLN作为供体材料集成到硅光芯片上，或者将其他有源器件异质集成到TFLN衬底上，是两条可行的路线。从异质集成工艺上来说，芯片至晶圆键合以及微转印技术更适合前述的两种异质集成方案。

参考文献： 中国光学期刊网

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