近日，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院張彤教授團(tuán)隊(duì)首次研制了采用光學(xué)真延時(shí)方案的薄膜鈮酸鋰基四通道4-bit集成微波光子波束形成芯片，完成了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到晶圓級(jí)芯片制備、再到功能驗(yàn)證的完整研究過(guò)程。相關(guān)成果以“Broadband Lithium Niobate Integrated Microwave Photonic Beamforming Chip（寬帶鈮酸鋰基集成微波光子波束形成芯片）”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Laser & Photonics Reviews》上。

在集成光學(xué)芯片小型化進(jìn)程中，鈮酸鋰憑借諸多優(yōu)勢(shì)，作為關(guān)鍵材料成為全球科研團(tuán)隊(duì)爭(zhēng)相研究的焦點(diǎn)。寬帶高頻微波光子雷達(dá)是目前發(fā)展的重點(diǎn)，基于微波移相器的電控波束形成網(wǎng)絡(luò)存在波束斜視問(wèn)題只能支持窄帶操作，不適合寬帶雷達(dá)系統(tǒng)和寬帶無(wú)線通信。傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)應(yīng)的微波光子波束形成組件通常體積較大、可靠性差、工作頻率較低。

薄膜鈮酸鋰基四通道4-bit微波光子波束形成芯片示意圖

在該研究中，團(tuán)隊(duì)突破性地將數(shù)十個(gè)微波光子器件，包括電光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、光波導(dǎo)延時(shí)線、模斑轉(zhuǎn)換器，集成在了一個(gè)15 mm×13 mm的芯片上，實(shí)現(xiàn)了大角度多波束掃描（-75.42°至77.58°內(nèi)11個(gè)不同角度）。與國(guó)際上報(bào)道的基于絕緣體上硅、Si3N4、SiO2和InP等其他波導(dǎo)材料的微波光子波束形成芯片相比，該芯片采用薄膜鈮酸鋰材料，展現(xiàn)出高頻、超寬帶延時(shí)（2-50 GHz）的顯著性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備小尺寸、低功耗的特點(diǎn)。這項(xiàng)工作推動(dòng)了薄膜鈮酸鋰基多功能集成微波光子系統(tǒng)的發(fā)展，并為寬帶片上雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了道路。

高密度集成的光電芯片集成技術(shù)是芯片領(lǐng)域最為前沿和重要的發(fā)展方向，張彤教授研究團(tuán)隊(duì)以片上集成光學(xué)器件及系統(tǒng)的實(shí)用化為目標(biāo)，長(zhǎng)期致力于將先進(jìn)的微納加工工藝技術(shù)、光電子學(xué)原理等前沿科研方向交叉結(jié)合，研制性能優(yōu)越的光電芯片，已經(jīng)取得了一系列優(yōu)異的科研成果。值得一提的是，該工作所展示的芯片在性能上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)條件下很有希望實(shí)現(xiàn)快速的成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)步意義明顯。

芯片制備流程和芯片樣品光學(xué)顯微照片

該論文第一作者是東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生秦妍妍和顧曉文，導(dǎo)師張彤教授為唯一通訊作者。該工作受到江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（集成電路專項(xiàng)——光子芯片集成專題）和國(guó)家自然基金等科研項(xiàng)目的資助，是光電芯片領(lǐng)域的重要成果。