科研聚焦|南科大深港微电子学院赵前程课题组在五氧化二钽集成光路领域取得系列研究进展

2025-01-24 科研聚焦 浏览量：27

近日，南方科技大学深港微电子学院赵前程助理教授课题组与合作者在五氧化二钽（Ta2O5）集成光学领域取得新进展，研究成果相继在国际知名光学期刊ACS Photonics，经典光学期刊Optics Express和国际光学会议2024 IEEE 9th Optoelectronics Global Conference （OGC）上发表，并获评OGC 2024最佳论文奖。南科大均为第一单位及通信单位。

图 1 雷达图比较了五氧化二钽与其他材料（如氮化硅、铌酸锂、氮化铝和二氧化硅）在多项光学性能指标上的优越性。四周插图展示了本工作研发的五氧化二钽集成光子器件。

在人工智能算力大爆发时代，光子集成电路（PICs）以其兼容性、并行性、低延迟、和高能效，成为超越摩尔定律继续提升芯片性能的重要途径。在众多材料平台中，五氧化二钽凭借其低光学损耗和低热光系数，在低损耗光波导、无热化滤波器、非线性集成光子器件等方面崭露头角。南方科技大学赵前程课题组聚焦五氧化二钽集成光子平台的开发和优化，研制出兼容CMOS后端的微纳加工工艺，为低损耗五氧化二钽集成光子器件与电子器件的光电融合集成打通了途径（图 2）。

图 2 五氧化二钽集成光子平台设计与工艺。（a）五氧化二钽波导的横截面示意；（b）波导中TE基模的归一化场分布；（c）不同宽度波导的有效模式折射率仿真结果；（d）不同弯曲半径下TE基模的弯曲损耗仿真结果；（e）制备的定向耦合器截面的SEM图像，插图突出了波导的形状，其侧壁角约为70°。

依托此工艺，课题组成功制备出光通信波段传播损耗为0.27 dB/cm、品质因子（Q值）超过106的高性能微环谐振腔（图 3），达到国际先进水平。高Q值微环谐振腔是集成光学的核心器件，在光通信滤波、激光器外腔、光学传感、光学计算等领域有广泛的应用。

图 3 五氧化二钽高Q值回音壁谐振腔。（a）回音壁谐振腔的典型透射光谱，通过将测量的FSR与仿真结果对比确定模式阶数；（b）为对（a）中圈出的谐振峰进行洛伦兹拟合，得到负载品质因子为1.07×10^6，本征品质因子为1.09×10^6。（c）回音壁谐振腔TE模式的归一化电场分布，比例尺为10 μm。

基于此平台的五氧化二钽微环谐振腔拥有较低的温度响应，谐振波长的温度漂移系数仅为9 pm/K，显著低于传统的氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2）集成光子平台，减少了温度波动对光学器件性能的影响。与其它材料（如氮化硅、氮化铝、铌酸锂）相比，在相同模式体积下，五氧化二钽微腔的频率热折射噪声更低，其优异的热光稳定性在激光器外腔和光学参考腔上有巨大的应用潜力（图 4）。

图 4 五氧化二钽微腔的热光响应。（a）五氧化二钽微腔的波谱温漂测量结果；（b）五氧化二钽材料的热光系数提取；（c）五氧化二钽微腔与其它材料微腔的频率热折射噪声对比。

赵前程课题组与中科院半导体所陆丹教授课题组合作，以五氧化二钽微腔作为半导体激光器外腔，成功实现了半导体激光器的自注入锁定和线宽收窄。利用自耦合谐振腔的高反射与高Q值特性，分布式反馈（DFB）半导体激光器的线宽从27.6 kHz压缩至1.6 kHz，实现了高达12 dB的线宽压缩，频率白噪声从8.8×103 Hz^2/Hz降低至520 Hz^2/Hz，同时拥有高达57 dB的边模抑制比（SMSR）。上述结果证明了五氧化二钽集成光子器件在窄线宽集成激光器领域的应用潜力与价值。

图 5 五氧化二钽外腔激光器。（a）在波长为1543.5 nm附近，自耦合谐振腔的透射和反射光谱；（b）半导体激光芯片与五氧化二钽外腔芯片对接耦合的显微图像；（c）自由运行的DFB激光器与结合五氧化二钽外腔芯片的DFB激光器的频率噪声对比，Ta2O5-DFB激光器的本征线宽降低了12 dB；（d）基于五氧化二钽外腔的窄线宽激光器的发射光谱，拥有高达57 dB的边模抑制比。

此外，本研究还研发了一系列低损耗、工艺稳定的五氧化二钽集成光子器件，包括自耦合谐振器、Vernier游标滤波器、Sagnac环形镜、边缘耦合器以及Y型分光器等关键模块，充分展示了该平台的多样性与可用性。

图 6 五氧化二钽集成光子器件。（a）端面耦合器示意图、仿真结果、及实验结果；（b）Sagnac环路镜示意图、透射和反射系数、透射/反射比；（c）Vernier游标滤波器示意图和测试结果。

上述工作的第一作者为南方科技大学深港微电子学院23级博士生刘振宇，中科院半导体所郭菲副研究员、南方科技大学深港微电子学院赵前程助理教授为共同通讯作者，南方科技大学为第一单位和通信单位。该研究得到国自然、广东省、深圳市项目支持。

相关论文信息：

1.  Z. Liu#, W. Yao, M. You, X. Yu, N. Ding, W. Cheng, Z. Li, X. Tang, F. Guo*, D. Lu, and Q. Zhao*, "Tantalum Pentoxide Integrated Photonics: A Promising Platform for Low-Loss Planar Lightwave Circuits with Low Thermo-Optic Coefficients," ACS Photonics (2025).

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c01485

2.  Z. Geng#, W. Cheng#, Z. Yan, Q. Yi, Z. Liu, M. You, X. Yu, P. Wu, N. Ding, X. Tang, M. Wang, L. Shen, and Q. Zhao*, "Low-loss tantalum pentoxide photonics with a CMOS-compatible process," Opt. Express 32, 12291 (2024).

论文链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-7-12291&id=548145

3.  Z. Liu#, X. Yu, and Q. Zhao*, "Low-loss and Thermorefractive-stable Tantalum Pentoxide Integrated Photonics," in 2024 9th Optoelectronics Global Conference (OGC) (2024), pp. 189–194. (Best Paper Award)

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10738749

赵前程课题组介绍

赵前程课题组致力于低损耗光波导器件和非线性集成光子器件研究，主要面向光通信、光计算、量子光学、激光雷达领域的基础科学和工业应用。课题组的研究工作得到国自然、广东省、深圳市、武汉光电国家研究中心、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室等研究机构的支持。

赵前程课题组诚挚欢迎优秀的博士生、硕士生、本科生的报考和加入，联系方式：zhaoqc@sustech.edu.cn 课题组网站https://liconlab.ac.cn ，欢迎垂询！