在高速光通信领域，一个关键的瓶颈是用于制造光子集成电路(PIC) 的专用材料的成本和可扩展性。这些微型芯片使用光而不是电来传输数据，从而实现极快的互联网速度和强大的计算能力。现在，来自瑞士和中国的研究人员使用一种经常被忽视的材料开发出了一种突破性的解决方案：钽酸锂。
PIC 是我们数字时代的无名英雄。它们是光纤网络的骨干，为我们赖以生存的高速互联网提供了保障，从流媒体视频到云计算，无所不能。它们也是量子计算和人工智能等尖端应用的关键组件。
传统上，铌酸锂一直是 PIC 的首选材料。这是一种神奇的材料，能够有效地将电信号转换为光，反之亦然，这要归功于一种称为普克尔斯效应的特性。然而，铌酸锂有一个很大的缺点：它价格昂贵，难以大规模生产。
钽酸锂就是一个例子。它是铌酸锂的近亲，晶体结构几乎相同。但有一个关键的区别：钽酸锂已经批量生产，用于 5G 无线滤波器。这意味着制造钽酸锂晶片的基础设施和工艺已经完善且具有成本效益。
由洛桑联邦理工学院 Tobias J. Kippenberg 博士和上海微系统所 Xin Ou 博士领导的研究人员看到了一个机会。他们想知道能否将钽酸锂用于 PIC，将其成本优势与铌酸锂的高性能特性结合起来。
第一步是在绝缘体上形成钽酸锂薄膜 (LTOI)。他们使用了一种称为“智能切割”的工艺，该工艺涉及将氢离子注入钽酸锂晶片，将其粘合到硅晶片上，然后加热直到氢膨胀并切下一层薄层。然后将该层抛光至所需厚度，在本例中仅为 600 纳米。
接下来，研究人员需要将 LTOI 薄膜蚀刻成 PIC 所需的复杂图案。他们改进了之前为铌酸锂开发的工艺，使用由类金刚石碳制成的硬掩模。这使他们能够制造出光滑、低损耗的光波导——引导光线穿过 PIC 的“导线”。
但创建结构只是成功的一半。研究人员还需要为 PIC 配备电极来控制光的流动。在这里，他们再次创新，开发了一种使用深紫外光刻的工艺，可以创建具有精确对准的高质量金电极。
研究结果发表在《自然》杂志上 ，令人震惊。LTOI PIC 的光损耗低至每米 5.6 分贝——这是性能的一个关键指标。它们还展示了高速电光调制，性能可与最先进的铌酸锂器件相媲美。
但最令人兴奋的或许是发现钽酸锂比铌酸锂具有一些独特的优势。其中之一就是其双折射性低得多——这种特性可能会导致不必要的光偏振混合。这意味着 LTOI PIC 可以在更宽的波长范围内工作，覆盖所有主要的电信频段。
另一个优势是钽酸锂适合生成“孤子微梳”——一种超精确的频率梳，未来可以实现更高的数据速率。在铌酸锂中，孤子的生成受到某些晶体方向的限制。然而，研究人员发现，通过仔细控制 LTOI 波导的方向，他们可以在任何方向上生成孤子。
“在保持高效电光性能的同时，我们还在这个平台上生成了孤子微梳，”这项研究的第一作者王成丽在一份媒体发布会上表示。“这些孤子微梳具有大量相干频率，与电光调制功能相结合，特别适合并行相干激光雷达和光子计算等应用。”
这项工作可能产生深远的影响。通过利用现有的钽酸锂制造基础设施，LTOI PIC 的生产成本仅为铌酸锂器件的一小部分。这可以使高速光通信更易于访问且更经济实惠，无论是对于长途网络还是数据中心和5G 无线等数据密集型应用而言。
然而，其好处远不止成本。钽酸锂的独特性质(如其低双折射和用于孤子生成的多功能性)可以使 PIC 具有全新的功能。例如，研究人员正在探索将 PIC 用于量子计算，其中精确控制和纠缠光子的能力至关重要。
LTOI PIC 的这一突破是材料科学、制造创新和光学工程如何共同推动变革性进步的一个光辉典范。通过打破思维局限并利用一种被忽视的材料，这些研究人员开辟了高速光学领域的新领域。未来确实一片光明——而芯片上的光能照亮了它。
