Monolithic high density integrated photonics on bulk lithium niobate

光是现代信息的引擎，以光速跨越海洋和大气层传递数据。为了将这种力量应用于计算机和通信，科学家们数十年来一直致力于将庞大的光学组件缩小到指甲盖大小，创造出让光而非电流传输的微型电路。为了使这些电路真正发挥作用，它们需要制造成本低廉、体积足够小以便在单个芯片上集成数百万个，并且能够快速改变其行为。虽然硅一直是这一行业的功臣，但它难以在不损失能量的情况下按指令改变光的特性。一种被称为铌酸锂的晶体长期以来一直是这项任务的理想材料，因为它能以惊人的速度和效率操纵光，但它一直难以实现大规模生产。传统的构建方式涉及将晶体切割成纸一样薄的层并将其粘合到其他材料上，这一过程既昂贵又脆弱，且难以规模化。

代尔夫特理工大学的一个研究小组发现了一种完全绕过这些困难的方法。他们没有采用切割和粘合的方式，而是直接在一个实心晶体块上构建了一个全集成电路。他们在标准、厚实的铌酸锂之上生长了一层薄薄的非晶态碳化硅层，并在其上刻蚀出微小的通道来引导光线。这种方法保持了制造过程的简单性，并与现有的计算机芯片制造工厂相兼容，同时仍能让光与下方的晶体产生强大的相互作用。其结果是一个不仅更便宜、更容易制造，而且性能优于以往尝试的平台，实现了此前被认为需要复杂得多装置才能达到的光控制水平。

这项成就的核心在于研究人员处理材料的方式。铌酸锂是一种坚固的晶体，但它极其难以进行现代电子设备所需的精密切割和塑形。以往的方法试图通过创建一层薄的晶体薄膜并将其键合到硅晶圆上来解决这个问题，而这种技术需要高温和精细的操作。新方法则完全跳过了薄膜环节。研究人员从一块标准的、厚实的铌酸锂开始，在其上方沉积了一层非晶态碳化硅。这种材料对光是透明的，并且可以使用标准工具进行极高精度的图案化。通过将整个过程的温度控制在300摄氏度以下，他们确保了底层的晶体不受影响且未受损伤。这意味着光通过一条混合路径传输：大部分路径在碳化硅层中，但有相当一部分能量会深入到下方的铌酸锂中，从而实现受控。

为了证明该系统的有效性，团队构建了微型的环形电路，光在其中持续循环。这些环形结构充当了敏感的探测器，用于测量光的引导效果以及调节的难易程度。他们测量了光在穿过碳化硅通道时的损耗，发现损耗极低，表明光在移动过程中非常平滑，没有发生散射或衰减。他们还测试了如何利用热量和电来进行电路调节。当施加微量热量时，光的颜色发生了偏移，这被称为热光调谐特性。更令人印象深刻的是，当施加电压时，晶体的内部结构发生了微小的偏移，足以改变光的路径。他们测量了这种电控效率，发现切换光线所需的电压-长度乘积为2.87伏-厘米，这是直接在块体铌酸锂上构建的电路中的最高纪录。这意味着该设备可以用极低的功率非常快速地实现光的开关。

研究人员并未止步于简单的环形结构；他们希望能够更精确地控制光的流动。为此，他们在碳化硅层中刻蚀了一系列微小的椭圆形孔，创造出一种被称为光子晶体的结构。想象一下一排光必须穿梭其中的柱子；通过精确调整这些柱子的间距，可以创造出一个屏障，阻止某些颜色的光通过，同时允许其他颜色通过。团队利用这种技术制造了过滤器和镜面，可以将光捕捉在微小空间内。他们在两个此类镜面结构之间创建了一个腔体，即光的“陷阱”。在陷阱内部，光来回反射，研究人员测量了光停留在那里的时间。他们发现，光被限制在质量因子为76,437的范围内，这个数字表明光在逃逸前会循环多次。这种程度的局限性通常只能通过更复杂的悬浮结构实现，这证明了他们的扁平、实心方法同样有效。

最显著的结果出现在他们将这些光子晶体与电学调谐相结合时。通过在光经过晶体结构时减慢其速度，他们让光在与电场相互作用方面花费了更多时间。这类似于一辆车在泥泞的田野中缓慢行驶时比快速驶过的车更容易被困住，但在这种情况下，“被困住”的光与材料的相互作用更强。这种减速效应将电控效率提升了8.5倍。在靠近晶体运行范围边缘的特定点，设备的灵敏度变得极高，仅需极低的电压即可切换光线。这证明了该平台不仅可以引导光，还可以通过工程手段优化其行为以最大化性能。

这项工作的意义不仅限于一种类型的晶体。用于创建这些电路的方法与制造计算机芯片的标准制造工艺完全兼容，这意味着它可以规模化生产数百万个设备且成本低廉。它避免了切割薄膜或将不同材料键合在一起等昂贵且复杂的步骤。研究人员展示了这种方法潜在地可以应用于其他用于光学的功能晶体，为新一代光子设备开启了大门。通过证明可以在实心块材料上直接构建高性能、可调谐的电路，他们消除了阻碍先进光学技术成为日常电子产品标准部分的重大障碍。前进的道路现在更加清晰，即通过简单、稳健的制造而非精巧、昂贵的技巧，实现高密度、低成本的光子技术。