微轉印實現超小型矽基光子晶體調變器 鋰鈮酸鋰與矽光子晶體整合的新突破

鋰鈮氧（Lithium Niobate, LN）因具優異的 Pockels 電光效應與低光學損耗，一直是高速調變器的首選材料。然而，將其有效整合至矽光平台仍具技術挑戰。近期，根特大學團隊透過微轉印技術（Micro-Transfer Printing, μTP），成功將薄膜型鋰鈮氧（Thin-Film LN, TFLN）整合至矽基光子晶體共振腔上，實現體積極小但性能卓越的光子調變器。

裝置設計與異質整合技術

研究團隊使用標準 CMOS 製程（193nm 浸潤式微影）於 SOI 晶圓上製作出一維光子晶體（1D photonic crystal）共振腔，操作波長為 1550nm 左右。TFLN 來源晶片則經蝕刻與釋放處理，製作出完全懸浮的小尺寸 TFLN 結構（50 × 230 µm²），可由微轉印裝置精準移植至目標矽光電路上。

轉印完成後，再透過電子束微影於 TFLN 上製作金屬電極，用以施加電場進行調變操作。

高效能調變特性驗證

精準共振與低插入損耗

所製裝置展現尖銳共振響應（1581nm）、高達 30dB 的消光比與僅 2.6dB 插入損耗，證明共振腔與 TFLN 間整合良好。

電光調變效率與頻寬表現

透過電場調制共振波長，裝置達成 6.23pm/V 的調變效率。3dB 頻寬測試顯示其調變頻率可達 3.5GHz，展現低功耗且高速的電光性能。

技術優勢與應用潛力

本技術展現以下關鍵優勢：

• 超高整合密度：TFLN 結構間距僅 50µm，適合高密度光子電路設計。

• 製程可擴展性：TFLN 製作與矽光電路分離，利於製程優化與標準化。

• 極小體積：420nm × 11µm 共振腔實現超小型調變器。

• 高調變效率：共振強化與最佳晶體取向提升 Pockels 效應效率。

• 寬頻操作能力：共振區外亦有良好光抑制特性，擴大應用頻寬。

• 此結構具潛力應用於電信、資料通訊、LiDAR、量子光學等需高整合光調變元件的領域。

結論

本研究證實，透過微轉印技術整合薄膜鋰鈮氧與矽光子平台，可實現小型、高效且可擴展的電光調變器設計。此技術為未來線性與非線性光學元件整合開啟新方向。

參考資料

[1]   Y. Tan et al., "Compact Photonic Crystal Si-LN Modulator Realized by Micro-Transfer Printing," Photonics Research Group, Department of Information Technology (INTEC), Ghent University - imec, Ghent, Belgium; IDLab, Department of Information Technology (INTEC), Ghent University–imec, Ghent, Belgium; OPERA-Photonique CP 194/5, Université Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium, 2024, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.