光子回路的异质集成解决方案可以充分利用不同材料平台的优势。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所蔡艳研究员团队与欧欣研究员团队合作，通过“万能离子刀”剥离转移技术在六吋图形化SiN晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜，并通过晶圆级工艺制备出具备高速数据传输能力的异质集成薄膜铌酸锂电光调制器。在该异质集成方案中，氮化硅与薄膜铌酸锂形成混合波导，铌酸锂薄膜无需刻蚀加工，简化了工艺流程。该工作不仅对全流程晶圆级制备硅光异质集成薄膜铌酸锂电光调制器进行了探索，而且为未来硅光平台与薄膜铌酸锂进行晶圆级异质集成的量产奠定了一定基础。相关成果于2025年8月4日以“Hybrid Silicon Nitride/Lithium Niobate Electro-Optical Modulator with Wide Optical Bandwidth and High RF Bandwidth Based on Ion-cut Wafer-level Bonding Technology”为题在线发表在国际著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上。
图1 器件结构与截面示意图
研究团队设计并通过实验展示了一种可同时工作于O波段与C波段的，基于全流程晶圆级制造的高性能氮化硅-薄膜铌酸锂异质集成马赫曾德尔电光调制器，如图1所示。采用万能离子刀技术，实现了六英寸薄膜铌酸锂与图案化六英寸 SiN 晶圆的异质集成。为了避免进行薄膜铌酸锂的刻蚀，该工作中所有器件图案均在 SiN 层上实现。所制备出的器件在C波段实现了超过110 GHz的3-dB电光带宽，在PAM-4传输模式下最高支持260 Gbit/s的数据传输。该异质集成电光调制器在1310 nm和1550 nm处的VπL分别为2.15 V·cm与2.7 V·cm。部分相关测试结果如图2和图3所示。该工作通过晶圆级制备工艺，研制了低插入损耗、高电光带宽和高传输速率的异质集成 SiN/TFLN 调制器。
图2 四个芯片上器件在不同波长下的调制效率测试结果（折线为模拟计算值）
图3 NRZ与PAM-4数据传输模式下的光眼图测试结果
论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士研究生李卓芸，通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所蔡艳研究员和欧欣研究员，论文合作者还包括李卓芸的导师、上海铭锟半导体的余明斌研究员。该研究工作得到了集成电路材料全国重点实验室自主课题（NKLJC-Z2023-A04）等项目的支持。
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