日前，中山大学微电子科学与技术学院陈庆明副教授团队26届硕士邝任飞等撰写的论文“Waveguide amplifier in the hybrid platform of thin film lithium niobate and silicon nitride”被芯片类权威期《Chip》发表，该论文的通讯作者为陈庆明副教授。
《Chip》，中文名为芯片，是由上海交通大学主办、与Elsevier集团合作出版的聚焦芯片研究的国际期刊，主要刊载微纳光子学、量子计算、人工智能等领域芯片化集成化的原创性研究成果。该刊入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目及英文梯队期刊项目，期刊最新影响因子为8.6。
项目组研究内容
和发表论文内容简介
图1，器件示意图
人工智能、高性能计算与超大规模数据中心快速发展，海量数据传输需求推动光电子技术向高带宽、大规模集成的光芯片方向快速发展。但片上光子集成系统（PIC）集成度持续提升后，无源器件级联与光信号传输带来的累积损耗，会降低系统信噪比、缩减链路裕量，片上光放大器已然成为突破光子芯片性能瓶颈的关键器件。
掺铒薄膜铌酸锂（Er³⁺: TFLN）兼具铒离子C波段宽带高增益放大能力与薄膜铌酸锂优异电光特性，是制备片上有源光子器件的理想材料。不过现有器件普遍采用增益薄膜直接刻蚀工艺，不仅加工难度大、波导侧壁散射损耗突出，还难以与氮化硅（Si₃N₄）等CMOS兼容无源光平台实现高良率异质集成，阻碍了该类器件的商用规模化应用。
针对上述行业技术难题，本文提出并实验验证了基于低温键合的Si₃N₄加载条型异质集成掺铒铌酸锂波导放大器，如图1。该技术无需刻蚀掺铒铌酸锂增益薄膜，借助无源氮化硅加载条波导束缚光场，既能简化制备工艺、削减侧壁散射损耗，也为有源与无源光子芯片高效异质集成提供了全新可行方案，如图2。
图2，制备流程图
研究团队还搭建了适配1480 nm泵浦源的放大器理论体系与仿真模型，结合铒离子辐射跃迁机制，构建了兼顾能量上转换与放大自发辐射效应的光场演化模型，依托数值算法精准求解器件增益性能。同时通过仿真完成波导结构联合优化，敲定最优氮化硅加载条尺寸为2 μm × 0.5 μm，该结构可保障泵浦光与信号光稳定基模传输，光场与增益层重叠因子接近85%，为器件实现高效光信号放大筑牢结构根基。
同时本文研发了整套低温异质集成制备工艺：依托紫外光刻与ICP-RIE刻蚀工艺，加工出形貌优异的Si₃N₄加载条波导；针对两种材料热膨胀系数失配难题，采用低温键合，顺利实现垂直异质集成；最后通过背硅去除与端面抛光处理，有效降低光耦合损耗，满足器件光电测试需求。
此外，研究完成了器件完整性能测试与增益指标验证，搭建1480 nm单向泵浦光学测试平台开展实测。测试数据显示，当泵浦功率为35 mW时，器件在1531.4 nm波长处取得14.4 dB的峰值光信号增益，内部最大净增益可达8.7 dB，单位厘米净增益为7.25 dB/cm；同时器件在通信核心1550 nm波段，依旧能实现6.8 dB的有效净增益，展现出优异的光信号放大能力。
总 结
综上，本次研究提出的低温键合异质集成波导放大器芯片方案，具备完善的理论支撑与实验验证，可行性突出。该波导架构兼容性良好，可拓展应用于多种光子材料混合集成；同时方案能够有效降低芯片制备成本、提升器件良率，对下一代高密度集成光子芯片在光通信、光计算领域的落地应用，具备重要的工程参考价值。
