SOI無痛整合  低成本且高效之新型光子積體電路

編譯／高晟鈞

光子積體電路（PIC）透過將多種光學元件和功能結合在一個晶片上而快速發展，徹底改變了光通訊和運算系統。幾十年來，矽基PIC因其成本效益以及與現有半導體製造技術的支持與整合，而在該領域佔據主導地位。儘管矽基PIC在光電調製頻寬方面存在局限性，SOI（Silicon on insulator）光子晶片還是成功商業化，透過現代資料中心的數百萬條玻璃光纖驅動資訊流量。

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SOI結構

SOI，全名Silicon on insulator，結構像是三明治，兩層矽層中間夾著一層氧化矽的絕緣層。這種構造相當於整顆電晶體都是矽的MOSFET來說，中間絕緣層可以更好的擋住在電晶體裡流竄的「漏電流」，如此電晶體可以更好地控制電流、且更加省電。

替換三明治內餡

近幾年來，鈮酸鋰因其強大的泡克爾斯效應（一種線性光電效應，其中介質的折射率相對於施加的電信號或電壓而改變），而成為SOI結構的優質材料，可以建構整合性光電調製器，對於高速光調製的優化至關重要。然而由於成本高昂且生產複雜，阻礙鈮酸鋰擴大其應用性，阻礙了其走向商業的途徑。

鉭酸鋰（LiTaO₃） 是鈮酸鋰的近親，有望克服這些障礙，它具有類似的優異電光品質，但在可擴展性和成本方面比鈮酸鋰具有優勢。鉭酸鋰目前已被電信行業廣泛應用於5G射頻濾波器就是最好的證明。

無痛整合

研究人員開發一種鉭酸鋰晶圓鍵合方法與SOI製程相容，能實現無痛整合，先用類金剛石碳覆蓋鉭酸鋰薄膜晶片，再繼蝕刻成光波導、調製器和超高品質諧振器。

蝕刻結合了深紫外線光刻和乾蝕刻技術，該技術最初是為鈮酸鋰開發的，經過精心調整後，才能蝕刻更硬、惰性更強的鉭酸鋰。這種調整涉及優化蝕刻參數以最大限度地減少光學損耗，是實現光子電路高性能的關鍵因素。

研究人員最終成功製造出高效能的鉭酸鋰PIC、光電馬赫-曾德爾調製器（Mach-Zehnder Modulator）；前者在電信波長下光損耗率僅 5.6 dB/m，後者是當今高速光纖通訊中廣泛使用的裝置，電光頻寬達到40GHz。這項研究推動了先進PIC發展，有助實現更經濟且更強大的PIC製造。

資料來源:TechXplore

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