DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69588-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41748600
تاريخ النشر: 2026-02-26
المؤلف: Mengxin Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: البصريات الضوئية الانكسارية وغير الخطية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم التقدم في دمج الليثيوم التانتاليت الرقيق كمنصة كهربائية بصرية لأنظمة الاتصالات الضوئية الحديثة، مع التأكيد على الحاجة إلى التكامل المشترك مع الإلكترونيات على مقاييس طول قصيرة. يبرز المؤلفون قيود طرق الدمج الحالية مع العمليات الدقيقة القياسية ويقترحون دمج عملية النحاس الدمشقي في تصنيع معدلات الليثيوم التانتاليت الرقيق.
تؤدي هذه الطريقة المبتكرة إلى أجهزة تظهر فقدان ميكروويف أقل بحوالي 10% مقارنة بتصاميم الأقطاب الذهبية التقليدية، بينما تحقق أيضًا قدرة ضوئية على الرقاقة بمستوى واط. يتم الحفاظ على استقرار الأجهزة عند مستوى عالٍ، والذي تم الإشارة إليه بشكل محدد كـ 101113260 (HDLN). يتم دعم البحث من قبل الأمانة الفيدرالية السويسرية للتعليم والبحث والابتكار (SERI) ومكتب الأبحاث العلمية للقوات الجوية بموجب جائزة محددة.
الطرق
تضمنت الطرق المستخدمة في تصنيع الدوائر المتكاملة الضوئية النحاس الدمشقي (PICs) عدة خطوات رئيسية. في البداية، تم ترسيب طبقة تغليف من ثاني أكسيد السيليكون بسمك 2.5 ميكرومتر على دوائر TFLT PICs باستخدام ترسيب بخار كيميائي معزز بالبلازما (PECVD). تم تحديد تصميم الأقطاب النحاسية من خلال طباعة ضوئية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) وتم نقلها إلى طبقة التغليف عبر النقش الجاف القائم على الفلور. تم ترسيب طبقة حاجز بسمك 10 نانومتر من التيتانيوم (Ti)، تليها طبقة نحاسية بسمك 100 نانومتر (Cu)، مما سهل عملية الطلاء الكهربائي. أسفرت عملية الطلاء الكهربائي عن طبقة نحاسية بسمك 2.8 ميكرومتر مع مقاومة منخفضة قدرها 2.04 ميكروأوم•سم، والتي تم تحسينها لاحقًا إلى سمك نهائي قدره 1.8 ميكرومتر من خلال التسطح الكيميائي الميكانيكي (CMP)، مما يقلل بشكل فعال من خسائر الميكروويف في الأقطاب الكهربائية المتوازية (CPW) عبر نطاق ترددات يصل إلى عشرات جيجاهرتز إلى 110 جيجاهرتز.
لضمان استقرار وأداء الأقطاب، تم ترسيب طبقة تمرير من نيتريد السيليكون بسمك 100 نانومتر لمنع أكسدة النحاس. ثم تم فتح وسادات الأقطاب وتغطيتها بالذهب (Au) لتحسين القياس الكهربائي. أخيرًا، تم تحقيق فصل الرقاقة من خلال مجموعة من تقنيات النقش الجاف والطحن من الخلف، مما أسفر عن جوانب ناعمة تسهل الاقتران الحدي مع الألياف أحادية الوضع. تم مراقبة سمك الأقطاب المدمجة بشكل غير مباشر من خلال قياس سمك نوافذ ثاني أكسيد السيليكون المجاورة باستخدام الانعكاسية الطيفية.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش البحث أداء النقل الكهربائي والتعديل الكهربائي البصري للأمواج المتوازية النحاسية الدمشقية (CPWs) مقارنة بالأقطاب الذهبية التقليدية. يبرز الدراسة أن النحاس، بمقاومة حجمية قدرها 1.68 ميكروأوم•سم، يظهر فقدان ميكروويف أقل بحوالي 10% من الذهب، الذي لديه مقاومة قدرها 2.21 ميكروأوم•سم. أظهر الفيلم الرقيق النحاسي المطلي كهربائيًا انخفاضًا كبيرًا في المقاومة إلى 2.04 ميكروأوم•سم بعد التلدين الذاتي، مما يعزز أدائه للتطبيقات عالية السرعة. أكدت المحاكاة الكهرومغناطيسية الكاملة سلوك الميكروويف للأمواج النحاسية، مشيرة إلى تغييرات طفيفة في مؤشر الانتشار والمقاومة المميزة.
تم تقييم الأداء الكهربائي البصري (EO) من خلال قياسات جهد نصف الموجة شبه الثابت ($V_\pi$) وعرض النطاق الترددي الكهربائي البصري 3 ديسيبل. أظهر المعدل $V_\pi$ قدره 1.7 فولت، مما يتوافق مع منتج $V_\pi L$ قدره 2.7 فولت•سم، مما يتماشى عن كثب مع القيم المحاكية. أظهر الجهاز استقرارًا عبر نطاق تردد واسع وانحرافًا ضئيلًا في الجهد مع مرور الوقت، مما يشير إلى موثوقية في الاتصالات عالية النطاق. تشير النتائج إلى أن الأقطاب النحاسية لا تقلل فقط من فقدان الميكروويف ولكن أيضًا تعزز أداء الجهد-النطاق الترددي، مما يجعلها بديلاً قابلاً للتطبيق للذهب في معدلات الكهرباء البصرية، خاصة للتكامل الإلكتروني القابل للتوسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69588-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41748600
Publication Date: 2026-02-26
Author(s): Mengxin Lin et al.
Primary Topic: Photorefractive and Nonlinear Optics
Overview
The section discusses the advancements in integrating thin-film lithium tantalate as an electro-optic platform for modern optical communication systems, emphasizing the need for co-integration with electronics at short length scales. The authors highlight the limitations of current integration methods with standardized microelectronic processes and propose the incorporation of the copper Damascene process into the fabrication of thin-film lithium tantalate modulators.
This innovative approach results in devices that demonstrate approximately 10% lower microwave loss compared to traditional gold-electrode designs, while also achieving watt-level on-chip optical power handling. The stability of the devices is maintained at a high level, specifically noted as 101113260 (HDLN). The research is supported by the Swiss State Secretariat for Education, Research and Innovation (SERI) and the Air Force Office of Scientific Research under a specific award.
Methods
The methods employed in the fabrication of Copper Damascene Photonic Integrated Circuits (PICs) involved several key steps. Initially, a 2.5 µm thick silicon dioxide cladding layer was deposited onto the TFLT PICs using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The design for the copper electrodes was defined through deep ultraviolet (DUV) stepper lithography and transferred into the cladding layer via fluorine-based dry etching. A barrier layer of 10 nm titanium (Ti) was sputtered, followed by a 100 nm copper (Cu) layer, which facilitated electroplating. The electroplating process yielded a 2.8 µm thick copper layer with a low resistivity of 2.04 µΩcm, which was subsequently refined to a final thickness of 1.8 µm through chemical mechanical planarization (CMP), effectively minimizing microwave losses in the coplanar waveguide (CPW) electrodes across a frequency range of tens of GHz to 110 GHz.
To ensure the stability and performance of the electrodes, a 100 nm thick silicon nitride passivation layer was deposited to prevent copper oxidation. The electrode pads were then opened and capped with gold (Au) for enhanced electrical probing. Finally, chip singulation was achieved through a combination of dry etching techniques and backside grinding, resulting in smooth facets that facilitate edge coupling to single-mode fibers. The thickness of the embedded electrodes was indirectly monitored by measuring the thickness of adjacent silicon dioxide windows using spectroscopic reflectometry.
Discussion
In this section, the research discusses the electrical transmission and electro-optic modulation performance of copper Damascene coplanar waveguides (CPWs) compared to traditional gold electrodes. The study highlights that copper, with a bulk resistivity of 1.68 µΩcm, exhibits approximately 10% lower microwave loss than gold, which has a resistivity of 2.21 µΩcm. The electroplated copper thin film showed a significant reduction in resistivity to 2.04 µΩcm after self-annealing, further enhancing its performance for high-speed applications. Full-wave electromagnetic simulations validated the microwave behavior of the copper CPWs, indicating minimal changes in propagation index and characteristic impedance.
The electro-optic (EO) performance was evaluated through measurements of the quasi-static half-wave voltage ($V_\pi$) and the 3 dB EO bandwidth. The modulator demonstrated a $V_\pi$ of 1.7 V, corresponding to a $V_\pi L$ product of 2.7 V•cm, closely aligning with simulated values. The device exhibited stability across a wide frequency range and minimal bias drift over time, indicating reliability for high-bandwidth telecommunications. The findings suggest that copper electrodes not only reduce microwave loss but also enhance voltage-bandwidth performance, making them a viable alternative to gold in electro-optic modulators, particularly for scalable electronic integration.