鈮酸鋰薄膜（TFLN）因其強大的電光系數、較大的光學非線性和較寬的透明窗口，顯示出作為集成光子學平臺的巨大潛力。
TFLN可用于開發各種光電元件，但由于鈮酸鋰 (LN) 本身不能提供光源和光電檢測，因此大多數TFLN器件必須依賴外部激光器和光電檢測器。片上集成的高性能光電探測器對于挖掘 TFLN作為光子集成電路 (PIC)平臺的潛力至關重要。
(a) 帶有預定義波導和無源元件的TFLN晶圓。(b)裸InP/InGaAs晶圓。(c) InP/InGaAs晶圓和 TFLN 晶圓鍵合。(d) InP/InGaAs晶圓襯底去除。(e) N mesa干蝕刻。(f) P mesa干蝕刻。(g) CPW 焊盤的SU-8基底。(h) 金屬電鍍和脫模。
《激光制造網》獲悉，最近發表在《Light: Advanced Manufacturing》上的一篇來自西南交通大學的論文表明，為了滿足這一需求，該院校的研究人員將改進型單向載流子（MUTC）光電二極管晶圓異構集成到帶有預定義波導和無源元件的TFLN晶片上。MUTC光電二極管同時提高了 TFLN平臺的帶寬和響應度。
研究人員通過干蝕刻LN波導和無源器件來啟動制造過程。他們采用混合蝕刻方法來形成器件臺面。在完成金屬電鍍和脫模后，對芯片進行切割和拋光。研究小組對外延層結構、LN波導幾何形狀和共面波導墊幾何形狀等進行了優化，以實現大帶寬和高響應率。
為了評估TFLN器件的性能，該團隊將該器件應用于數據傳輸系統。它能高質量地檢測到32 Gbaud的四級脈沖幅度調制 (PAM4) 信號。這些結果證明了TFLN平臺上的光電二極管在支持下一代高速傳輸系統方面的潛力。
該器件的3-dB帶寬達到了創紀錄的110 GHz，可與最先進的 TFLN 調制器相媲美。基于晶圓級TFLN磷化銦（InP）異質集成技術的波導耦合光電二極管在1550納米波長下的暗電流約為 1 nA（納安培），響應率為 0.4 A/W（安培/瓦）。
(a) 不同長度器件的測量（藍色圓圈）和模擬（黑色虛線）響應率。(b) 不同有效面積器件的傳輸時間限制帶寬（藍色實線）、RC限制帶寬（紅色實線）、總帶寬（黑色虛線）和測量帶寬（黑色圓圈）。(c) 32-Gbaud PAM4信號的測量誤碼率(BER)與接收光功率的關系。(d) 10、20和32 Gbaud PAM4信號的眼圖和測量波形。
TFLN技術實現了嚴格的模式約束和高非線性效率，因此在光通信領域得到了廣泛應用。它已被用于構建各種緊湊型集成光子器件，包括高性能調制器、偏振管理器件和寬帶梳頻源。
然而，LN在實現光源和光檢測器方面的固有困難阻礙了基于TFLN的集成光子學平臺的發展。該團隊在TFLN平臺上實現了超寬帶光電二極管的晶圓級集成，朝著解決這一問題邁出了重要一步。
研究人員證明，在TFLN平臺上異構集成光電二極管具有應用于下一代高速傳輸系統的潛力。
這項工作為實現大規模、多功能、高性能TFLN光子集成電路鋪平了道路。此外，它還為超高速光通信、高性能集成微波光子學和多功能集成量子光子學帶來了希望。
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