科毅光通信 - 光开关器件与设备生产销售厂商

在高速光通信与硅基光电子集成领域，薄膜铌酸锂（TFLN）因其优异的电光特性被视为实现超高带宽、低功耗光器件的关键材料。如何将TFLN与传统硅光平台（如氮化硅SiN）高效集成，成为当前研发热点。中科院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“微系统所”）在TFLN-SiN键合工艺领域取得显著突破，成功研制出带宽超过110GHz的高性能光调制器。本文将详细介绍这一创新的异质集成键合工艺及其卓越性能，展望其在下一代高速光通信与光互连技术中的应用潜力。

一、 技术路线：TFLN-SiN异质集成 vs. 混合集成

当前主要的TFLN-SiN集成方案可分为两类：

1. 混合集成（如九峰山、海思等方案）：

·         对氮化硅（SiN）和铌酸锂薄膜（TFLN）均进行刻蚀。

·         二者各自形成独立的波导结构。

·         通过倏逝波耦合实现光场连接。工艺相对复杂。

2. 微系统所方案：异质集成键合（核心创新）

【微系统所TFLN-SiN异质集成波导结构示意图】

·         核心特点： 采用独特的键合工艺，在完成SiN波导制作并平坦化后，直接键合整片TFLN薄膜层。最终形成的波导是SiN和TFLN共同构成的异质结构。

·         优势： 工艺步骤相对简化（免去TFLN刻蚀），可能带来更优的光场限制和耦合效率。

二、 微系统所TFLN-SiN键合工艺详解

该工艺在标准硅光工艺平台上扩展，关键步骤及参数如下：

1. 基底准备：

·         使用硅衬底，通过热氧化形成二氧化硅（BOX）层，构成SOI衬底。

·         采用PECVD方法沉积氮化硅（SiN）层。文献报道其厚度有180nm或400nm版本，此处以公开论文的180nm为例。

2. SiN波导制作与平坦化（关键步骤）：

·         对SiN层进行光刻和刻蚀，形成所需的SiN波导图形。

·         在刻蚀后的SiN波导上覆盖氧化硅层。

·         关键工艺： 对覆盖的氧化硅层进行精密平坦化（研磨）。这一步的平整度至关重要，直接决定了后续键合时TFLN层与SiN波导之间的间隙厚度和均匀性。晶正电子转让给华为的专利也旨在精确控制此间隙。

·         平整后的氧化硅层表面将作为与TFLN键合的界面。

[图示2：SiN波导刻蚀后状态示意图]

3. TFLN薄膜转移与键合：

·         将高品质的薄膜铌酸锂（TFLN）晶圆（通常为供货态）与完成平坦化的SiN晶圆进行键合。

·         键合层材料： 微系统所选用氧化硅作为键合介质。相比另一种常用材料BCB（苯并环丁烯，高分子聚合物胶）：

·         氧化硅优势： 耐高温、长期可靠性高（尤其适用于商用产品）、工艺兼容性好。

·         BCB劣势： 可靠性较差（老化、热稳定性等问题）。

4. TFLN薄膜剥离与后道工艺：

·         关键技术：“离子刀”剥离。

·         使用氦离子（He+）注入到供体铌酸锂晶圆中（在键合界面下方特定深度形成损伤层）。

加热处理，使损伤层汽化，从而实现铌酸锂薄膜（目标厚度约400nm）的剥离，最终在键合晶圆上获得所需的TFLN薄膜层。剩余供体晶圆可重复使用。

·         器件完成：

·         沉积上包层（通常为氧化硅）保护波导。

·         沉积金属层（用于调制电极等），并进行图形化。

·         电极材料选择： 金（性能最佳，成本高）、铜（折中）、铝（成本低，易刻蚀，电阻率等电学性能相对较差）。

·         微系统所选择： 基于成本和工艺集成度考虑，采用硅光平台标准的铝（Al）工艺制作调制电极。

三、突破性性能：110GHz带宽与低VπL

微系统所基于此TFLN-SiN异质集成键合工艺制作的光调制器取得了令人瞩目的性能：

• 调制器长度： 5mm

• 带宽： > 110GHz (实测超过110GHz)

• 半波电压（Vπ）与VπL积（关键效率指标）：

• O波段： Vπ = 4.3V， VπL = 2.15 V·cm (极低，优于传统方案)

• C波段： Vπ = 5.5V， VπL = 2.75 V·cm (同样表现出色)

• 传输性能：

• 成功演示了260 Gbps PAM4 信号调制。

• 展现了180 GBd（千兆波特） 级的超高符号率传输能力，展现了其在超高速通信中的巨大潜力。

中科院微系统所开发的TFLN-SiN异质集成键合工艺代表了硅基光电子集成技术的重要突破。

其特点在于：

1. 创新结构： 采用氧化硅键合/平坦化层的异质集成方案，简化工艺并提升可靠性。

2. 核心工艺成熟： 掌握了SiN波导精密平坦化和大面积高质量TFLN键合与剥离等关键技术。

3. 卓越性能： 实现了超过110GHz的带宽和低至2.15 V·cm (O波段)的VπL积，满足下一代800G、1.6T及更高速光互联对调制器核心性能的苛刻要求。

4. 兼容性与可靠性： 基于硅光平台开发，采用耐高温的氧化硅键合材料，具有商业化应用潜力。

应用前景： 这项技术不仅为研制超高速、低功耗的下一代光通信核心器件（如相干光模块中的IQ调制器）提供了强大支撑，其展现的高性能光波导操控能力，也为未来高速光开关、可编程光子集成电路（PIC） 等更复杂光子器件的发展开辟了新路径。

广西科毅光通信科技有限公司 (www.coreray.cn) 作为专注于光通信器件研发与制造的企业，将持续关注此类前沿集成工艺的发展，致力于将最先进的技术转化为满足市场需求的高性能光开关、光模块等产品，赋能数据中心、5G/6G及未来光网络建设。