铌酸锂集成光芯片：助力高速、大容量数据通信飞跃发展
铌酸锂集成光芯片：助力高速、大容量数据通信飞跃发展
铌酸锂集成光芯片是新一代高速、大容量数据通信的关键技术，其独特的电光、声光和非线性光学特性使其成为实现高性能集成光电子芯片的理想材料平台。近年来，随着LNOI微纳加工技术的不断进步，基于LNOI平台的多维复用光子器件开发取得了重要进展，为实现高速大容量光电子通信器件的单片集成奠定了基础。
《激光与光电子学进展》于2024年第11期（6月）推出创刊六十周年系列专题之“铌酸锂光子学器件”，本封面为兰州大学田永辉教授课题组特邀综述“薄膜铌酸锂片上集成多维复用光子器件”。
封面解读
封面展示了基于晶圆级绝缘衬底上的铌酸锂（LNOI）平台实现片上集成光电子芯片的工作原理及应用场景。利用多维复用技术，LNOI平台不仅支持波长、模式、偏振等多个维度上的光信号复用与调控，更有助于推动高速、大容量光电子通信器件的单片集成，从而极大提升数据传输的效率和容量，为未来光通信系统的发展奠定坚实基础。
研究背景
随着通信技术持续进步，人们对信息传输速度的要求不断提升。铌酸锂（LiNbO3，LN）材料因其优异的电光特性，成为高性能电光调制器的优选材料。得益于材料科学和集成技术的进步，绝缘体上的铌酸锂（LNOI）集成光子技术成为高速、大容量数据传输的关键。LNOI平台支持多维度复用光子器件的开发，推动了单片集成高速大容量通信设备的发展，提升了数据传输效率和容量，为下一代光通信系统奠定了基础。近年来，晶圆级LNOI薄膜的制备成功及微纳技术的突破，更凸显了LNOI在大规模高速光电子集成方面的优势。
铌酸锂集成光波导
光波导是集成光学器件的核心组件。在传统的体LN材料中，光波导的制备常依赖于钛扩散或质子交换技术，但其在实现高集成度的片上光学元件具有挑战。相较于传统制备方案，利用刻蚀LN材料构造波导结构能够有效克服上述困难。目前，刻蚀LN波导的方法包括机械刻蚀、超精密金刚石切割、化学机械抛光、聚焦离子束刻蚀以及氩离子轰击等多种技术。更加灵活且高分辨率的光波导制备方法包括湿法蚀刻和干法蚀刻技术，如图1（a）所示。除了直接蚀刻方案外，另一种值得关注的LN波导制备方法是在LNOI上方沉积光学负载材料（如氮化硅），然后通过刻蚀负载材料形成脊形波导，如图1（b）所示。
图1 LNOI波导的制备方法
薄膜铌酸锂片上集成多维复用光子器件
1. 基于波长复用的薄膜铌酸锂集成光子器件
通过将波分复用技术与高性能电光调制器结合，可以在LNOI平台上构建出多信道、多波长发射机芯片，为数据中心光通信提供核心组件。如图2所示，目前研究者已提出多种基于不同结构的波分复用器件设计，包括阵列波导光栅结构、多模干涉耦合器结构、多模波导光栅结构和亚波长光栅结构等。
图2 薄膜铌酸锂波分复用器
2. 基于模式复用的薄膜铌酸锂集成光子器件
光模式复用器。它是模分复用系统的重要组成部分，其能将多个不同的光信号复用到同一多模波导中传输。目前，研究者已经提出多种高性能光学模式复用器的设计方案：在聚合物加载的LNOI平台上采用连续域中的光子束缚态结构，直刻LN平台上的马赫-曾德尔干涉仪结构，富硅氮化物加载LNOI平台上的绝热定向耦合结构，氮化硅加载LNOI平台上的非对称定向耦合结构，以及直刻LN平台上的绝热非对称耦合结构等，如图3所示。
图3 薄膜铌酸锂光模式复用器
光功分器。它是光通信和光电子领域内至关重要的组件，其主要功能是将输入的光信号功率均匀地分配到若干个输出端口。目前，为实现LNOI平台上的光功分器，已有多种结构设计可供选择，诸如超表面结构、Y分支结构、逆向设计结构、多模干涉耦合器结构、绝热模式演化结构，以及结合了亚波长光栅的Y分支结构等，如图4所示。
图4 薄膜铌酸锂光功分器
光波导交叉\弯曲。它在构建高效、紧凑的光子系统中扮演着重要的角色，主要用于实现光信号在不同路径间的换向、切换与交叉传输。这些器件的结构设计多样，例如逆向设计结构被应用于光波导交叉和弯曲，多模干涉耦合器结构用于光波导交叉。此外，双槽刻蚀结构和修正欧拉弯结构都被设计用于多模光波导的弯曲部分，如图5所示。
图5 薄膜铌酸锂光波导交叉及弯曲
基于偏振复用的薄膜铌酸锂集成光子器件
起偏器。它作为一种关键的偏振管理器件，能够通过特定的波导设计或高度偏振依赖性的材料选择性地输出所需的偏振模式，并在短距离内显著衰减与之正交的其他偏振模式。在LNOI平台上，研究人员已基于不同的结构设计实现了多种类型的起偏器，包括长周期光栅结构、混合等离激元结构、空气槽辅助波导结构，以及亚波长光栅结构和亚波长光栅超材料结构等，如图6所示。
图6 薄膜铌酸锂起偏器
偏振分束器。它能够高效地分离或组合两种正交偏振模式，在相干光通信、偏振复用技术以及量子信息处理等多个领域都有广泛的应用。目前，在LNOI平台上已成功实现的偏振分束器结构主要包括：马赫-曾德尔干涉仪结构、受激拉曼绝热通道结构、混合等离激元结构、各向异性超材料结构、光子晶体辅助的多模干涉耦合器结构，以及热光马赫-曾德尔干涉仪结构，如图7所示。
图7 薄膜铌酸锂偏振分束器
偏振旋转器。它是一种能够实现光的不同偏振状态间转换的重要光学元件。在LNOI平台上，实现偏振旋转功能的核心在于通过设计具有横向不对称结构的波导，来达到光轴旋转的效果。当前，已经验证的几种实现方法包括：采用不对称倾斜波导结构、不对称混合等离激元波导结构、不对称锥形波导结构，以及不对称相变材料加载结构，如图8所示。
图8 薄膜铌酸锂偏振旋转器
偏振旋转分束器。它是将入射光根据偏振状态进行分离，并对其中一路输入光进行90°偏振旋转的光学器件，能同时执行偏振旋转和偏振分束两种功能。在光通信系统中，偏振旋转分束器可以实现偏振复用，从而提高系统通信容量。现有的偏振旋转分束器结构多样，包括：绝热模式演化、非对称定向耦合器、非对称Y型分支结构等，如图9所示。
图9 薄膜铌酸锂偏振旋转分束器
薄膜铌酸锂多维复用调制一体光子集成回路
近年来，LNOI集成光子技术在数据传输速率和容量上取得了显著进步。2020年，香港中文大学基于聚合物加载的LNOI平台，实现了400 Mbps的4通道信号传输。2022年，兰州大学在氮化硅负载的LNOI平台上，通过4通道模式复用器和微环调制器，达到了280 Gbps的总数据吞吐量。同年，浙江大学联合其他机构，在LNOI上实现了4通道总速率256 Gb/s的OOK和400 Gb/s的PAM-4信号传输，显示了LNOI在高速光连接的潜力。2023年，浙江大学采用新型调制器阵列和波分复用器，实现了单片集成的LNOI光发射芯片，可传输320 Gbps的OOK和400 Gbps的PAM4信号，展示了其在光子集成领域的广阔前景。
结论与展望
LN材料平台因其独特的电光、声光和非线性光学特性，成为实现高性能集成光电子芯片的理想材料平台。随着LNOI微纳加工技术的不断进步，LN在光子学和工业界取得了革命性进展，其片上光子器件性能已接近体LN光学器件。基于LNOI平台，多个复用维度的集成光子器件得以开发，旨在实现高速大容量光电子通信器件的单片集成。这不仅提高了数据传输的效率和容量，还为下一代光通信系统的发展奠定了基础。展望未来，我们期望完成器件性能优化、新功能探索、集成化与系统应用，以及新材料与新工艺探索等挑战，实现更高性能、多功能和高集成度的光子器件，推动光通信和集成光子学的发展。
课题组简介
兰州大学田永辉教授课题组，主要围绕片上光互连、光计算及微波光子等领域的国家重大战略需求，针对集成光电子芯片的关键科学与技术问题，开展理论基础、设计架构、制造工艺、性能表征及应用示范等方面的研究。课题组致力于解决集成光电子芯片中电光调制、光场调控、模式处理等关键技术问题，及其在通信、传感、测距、计算等领域中的应用，近年来在Optica、Laser & Photonics Reviews、Nanophotonics、Optics Letters、Optics Express、《激光与光电子学进展》等国内外学术期刊发表论文80余篇。详细介绍见课题组网页：https://ipc.lzu.edu.cn/。