科学家提出45°器件对称设计方案，能无缝迁至薄膜铌酸锂，促进铌酸锂光子集成器件商用化

“目前，我国光电集成芯片平台已经初具规模，累计建有多条 12 英寸 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）标准硅光流片线，在薄膜铌酸锂晶圆的科研成果和业界产品数量上处于世界前列。

这些成果应该都离不开在 2010 年前后回国的一批芯片科研人员。我也为能成为其中的一员、并有机会做一些微薄的贡献而感到自豪。”浙江大学教授刘柳表示。

在 2010 年之前，国内在光电集成芯片方面的硬件平台还相对落后。而刘柳的回国造芯之路要从 2011 年说起。

彼时，刘柳就职的比利时根特大学和丹麦科技大学，分别与比利时校际微电子研究中心（IMEC，Interuniversity Microelectronics Centre）和丹麦国家微纳制造中心（DANCHIP）有着深度合作，而后两者都是当地乃至欧洲的著名芯片加工平台集中地。

这段经历让刘柳在光电集成芯片工艺、洁净室规划、设备厂家、以及产品维护方面积累了不少经验。

2010 年之后，国内各级政府、高校、研究所和投资机构，都开始意识到光电集成芯片产业是中国有望率先取得突破的领域，随后逐渐开始规划光电芯片产业并进行相应投入。

“我也是因此机缘在 2011 年回国并加入华南师范大学，回国之后我曾负责建设了当时广东高校第一个面向硅基异质集成光电芯片微纳加工平台，并专注于研发各种功能材料在硅光芯片上的异质集成技术。”刘柳表示。

2020 年，他回到母校浙江大学任职，目前负责建设浙大嘉兴研究院的光电芯片平台。

前不久，他和团队打造出一款阵列波导光栅器件，是目前首个在 X 切薄膜铌酸锂平台演示的阵列波导光栅波分复用器件。

它能在单片薄膜铌酸锂上，将波长路由器与高速电光调控器件进行无缝集成。

未来，有望基于此来打造超大容量的波分复用光收发芯片。而对于微波光子系统来说，这种阵列波导光栅器件能够帮助实现信道化处理，从而可以进一步提升微波光子系统的处理带宽。

基于本次成果还可以打造拥有小通道间隔的阵列波导光栅，从而能够充当片上光谱仪，进而充当小型化光谱传感的核心元件。

（来源：Light-Science & Applications）

01

设计薄膜铌酸锂无源器件，难在哪里？

据介绍，薄膜铌酸锂——是近年来的一个热门集成光电子平台。它能支撑包括声光器件、高速电光调制器、高效率非线性光学器件在内的多种高性能光电子器件。

例如，目前基于薄膜铌酸锂的电光调制器已经可以实现 100GHz 的带宽、小于 1dB 的插入损耗、小于 1V 的驱动电压，预计将能支撑单波 400G 以上的数据互连。

因此，人们希望能将这些器件集成在一块芯片上，以便实现各种多功能片上系统。

然而，基于薄膜铌酸锂的各种光无源器件比如滤波器等却发展得相对较慢，且并未受到学界的广泛关注。

这主要是因为：

首先，铌酸锂是一种单轴晶体材料。对于人们经常使用的 X 切薄膜铌酸锂晶圆来说，其平面内呈现出明显的光学各项异性。

其次，此前铌酸锂材料的刻蚀加工工艺，仍然没有其他材料那么成熟，比如这类材料的波导端面呈现出明显的梯形。

因此，相比其他常见的光子集成平台，薄膜铌酸锂的无源器件设计难度要大得多。

在众多集成光无源器件中，阵列波导光栅非常具有代表性，它是波分复用系统中的一个关键部件，能用于实现多通道的密集波长滤波。

此前，在硅等传统平台的阵列波导光栅研究上，刘柳已经积累了十几年经验，因此非常希望能够解决 X 切薄膜铌酸锂平台的阵列波导光栅设计难题。

02

能被无缝迁移的 45° 对称设计方案

如何处理各项异性的影响，是解决上述难题的关键。此前，业内同行主要基于 Z 切薄膜铌酸锂晶圆来解决这一问题。

但是，这种晶圆结构与目前的高性能电光调制器不兼容。因此，此前并未有人试水成功。

考虑到器件的实用性该团队开始思考：能否在 X 切薄膜铌酸锂这种平面内各项异性的平台上，设计一款高性能的阵列波导光栅器件？

抱着试一试的想法，课题组的一名低年级硕士生易俊杰启动了课题调研和前期设计。

之后，该团队相继提出多种设计方案，包括变换光学方案、暴力求解方案和偏振模式调控方案等。

但是，通过一次次的长篇数学推导，易俊杰发现这些方案均不可行。

后来，在一次组会讨论中，另一名实验室成员提到：薄膜铌酸锂中的波导模式折射率、与传播方向角度的关系可以表示为三角函数平方的和。

而任意一个角度的正弦函数和余弦函数的平方和恒定为 1，并且与角度无关。那么，如果将这种关系构造成正弦函数和余弦函数的平方和，不就可以消除各向异性的影响了吗？

顺着这个思路，他们提出了 45° 的对称设计方案。通过数值仿真和理论推导他们发现：虽然这种三角函数平方和的关系，并不能完全准确地反应各向异性，但是在铌酸锂这个材料中它可以很好地进行近似。

（来源：Light-Science & Applications）

通过此，课题组从理论上彻底消除了铌酸锂材料光学各项异性，将传统各向同性平台的阵列波导光栅设计方案，无缝地迁移到薄膜铌酸锂之中。

随后，该团队开始制作器件，通过不断优化加工参数，他们制备出上述阵列波导光栅器件。

相比基于硅平台和氮化硅平台打造的同类型阵列波导光栅，本次器件性能和它们基本相当。

（来源：Light-Science & Applications）

最终，相关论文以《平面内各向异性 X 切割薄膜铌酸锂平台上的无各向异性阵列波导光栅》（Anisotropy-free arrayed waveguide gratings on X-cut thin film lithium niobate platform of in-plane anisotropy）为题发在 Light-Science & Applications（IF 20.6）。

浙江大学硕士生易俊杰是第一作者，刘柳担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Light-Science & Applications）

03

曾有成果入选 2019 年“中国光学十大进展”

另据悉，刘柳团队曾有 1 篇论文入选 2019 年度“中国光学十大进展”。

对于这篇论文他表示：“我之前从事硅基光电集成芯片的研究，但随着最近几年国内硅光流片平台的逐渐完善，硅光芯片的加工制作等已经逐渐走向标准化。”

此外，随着产业界的加入，硅光领域的研究也逐渐开始从学术研究走向产品开发。

大约在 2018 年左右，刘柳结识了中山大学蔡鑫伦教授，并了解到后者的课题组在薄膜铌酸锂加工制作方面有着深厚积累。

当时，美国哈佛大学团队已经率先实现薄膜铌酸锂平台上的高性能调制器，性能全面超过纯硅光的调制器。

“于是，我们开始讨论能否通过发挥我们两个课题组的优势，将薄膜铌酸锂异质集成到硅光芯片上来。”刘柳说。

经过大约一年的研发，他们合作开发了当时综合性能最优的硅光芯片上调制器。

“这种结合是非常有意义的，当时基于纯铌酸锂平台的加工制作和器件设计还不成熟，而将铌酸锂的高性能调制引入到硅光芯片上来，能够弥补纯硅调制器在插损性能和带宽性能上的不足。”刘柳说。

后来，这项成果也受到了国际同行的关注。再之后，刘柳除了继续深耕硅基异质集成之外，也开始研究薄膜铌酸锂这一新兴的光电集成平台，而本次成果便是他和团队在薄膜铌酸锂的成果之一。

接下来，他们将继续优化阵列波导光栅设计，进一步降低器件的插入损耗和通道间的串扰，以期能够达到实际波分复用系统的需求，争取能够演示完整的波分复用光发射芯片。

此外，还将扩展阵列波导光栅的工作波段，例如拓展至近红外和可见光，从而将其用于光谱传感系统。

来源：DeepTech深科技