用五氧化二钽打造的三维集成光学芯片

当前光子学领域面临一个核心挑战：没有一种材料平台能同时满足所有应用需求——比如既要低损耗传输，又要强非线性效应，还要支持高速电光调制。传统方案常采用异质集成（把不同材料芯片拼接起来），但存在界面损耗大、工艺兼容性差、良率低等问题。本文另辟蹊径，开发出一种“单片式三维集成”新方法：在已加工好波导图案的薄膜铌酸锂（LN）衬底上，直接生长高质量五氧化二钽（Ta₂O₅，简称tantala）光子层，形成上下叠层的单芯片结构。关键突破在于，tantala材料可在室温下沉积、中低温退火，且厚膜应力极低，因此不会损伤下方LN衬底的性能或破坏其原有结构。研究团队借此实现了三大核心能力：（1）在tantala层中制备出超低损耗、高品质因子（Q值）的微环谐振腔和纳米光子器件；（2）在LN层中稳定实现电极化周期性畴反转（即准相位匹配），保障高效二次谐波产生；（3）在两层之间构建低损耗、高保真度的三维光互连通道。基于这三项能力，研究人员在同一芯片上演示了丰富多样的非线性光学过程：包括利用tantala微腔和光子晶体腔实现的χ⁽³⁾四波混频（用于产生超连续谱、光学参量振荡和暗脉冲微梳），以及利用周期性极化的LN波导实现的χ⁽²⁾二次谐波产生（如蓝光倍增），甚至还能将两类过程协同工作，拓展波长覆盖范围与功能灵活性。这项技术不依赖复杂键合或转移工艺，具备晶圆级批量制造潜力，有望加速光频梳、量子光源、高速光通信与集成激光器等前沿应用的实用化。