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集成光子学与芯片集成纳米制造技术研究——北京航空航天大学叶茂副研究员

2021-11-08

 

集成光子学是通过研究与利用光电子学和微电子学原理,依托芯片集成纳米制造技术,开发芯片化集成光子/光电子器件的学科。该学科在光刻、通信激光雷达量子计算与传感等领域有广泛的应用,也是当前我国急需发展的“卡脖子”学科。
2014年以来,叶茂围绕通过平面芯片化集成单层纳米结构实现对光的完全控制(包括传播方向、相位偏振等),推进其工业化应用等领域开展了深入系统的研究,提出可设计聚焦结构的超构透镜系统理论方法;突破了可对抗刻蚀延迟的超构透镜和无色散超构透镜;解决了可见光波段光学超构表面和超透镜制造难度大、成本高以及存在色散等问题;研制基于可见光波段的光栅结构超透镜、线偏振超构透镜和具有聚焦结构的超构透镜等集成光子学器件;开发医用闪烁体材料的光抓取纳米结构,显著提高了常规医用闪烁体的发光效率;针对芯片集成激光雷达中的核心偏光组件,提出基于光学相位矩阵(OPA)和光学超构表面的非机械式可控偏光方案,减小了激光雷达的体积、重量和成本。
 
1 创新研制多种平面纳米结构器件
为实现对光的传播、相位、偏振等方面的完全控制,叶茂通过研究微观光/物质相互作用,探索可见光波段纳米结构对光的控制模式,研制了多种通过操控可见光相位、偏振以及散射等属性从而实现不同功能的平面纳米结构器件,解决了集成无色散聚焦透镜、平面线偏振响应聚焦透镜以及平面可设计聚焦结构透镜等难题。
近年来,可见光波段集成光学超构平面是最受关注的微纳光子学器件之一,是芯片化集成平面透镜可行的前瞻路线。然而该类光学器件存在比传统曲面透镜更严重的色散问题(不同波段可见光焦点偏移)。从2015年起,叶茂开始在可见光波段对多种创新功能的超构透镜进行研究和摸索,针对色散难题,独辟蹊径地利用特殊聚合物纳米结构在特定结构范围内变频相位漂移呈线性分布的特点,设计并制造了微型的无色散光栅超构透镜,实现了全可见光波段的聚焦,焦点全波段偏移小于5%。
在光通信领域,光偏振态是最重要的信息传递途径之一,而传统偏振处理模式通常是由多个器件耦合实现的。针对这类应用,叶茂设计了一种对光偏振存在特异性散射的光学超构相元,并利用数万个这种相元的有机组合,研制了可见光波段的线偏振响应超构透镜,实现了对于不同线偏振入射光的相位拟合和共振抵消。经过测量,该超构透镜(40μm大小,38 nm级最小结构,数值孔径高达0.9)可同时实现线偏振响应和聚焦的功能。这项技术对于未来芯片集成光调制/通信具有广泛的价值。
结合近几年光子学设计和纳米制造经验,叶茂提出了可设计聚焦结构的超构透镜方案。该方案可实现将光聚焦成任意结构,而非传统认知中的一个点。同时,他提出了不同于传统离散相元结构、通过对亚波长光栅的独特设计产生环形聚焦结构的方法,并据此设计制造了在可见红光波段下,可实现多种组合结构聚焦图案的光学超构透镜(80μm左右大小,38 nm级最小结构,15μm左右超近焦距)。这项研究在极限光刻、光学成像、光学传感等领域将有广泛的应用。
光刻是芯片制造步骤中最重要的环节之一。当今的光刻技术是通过紫外(极紫外)光透过多重相偏移掩膜进行多次曝光实现的。可设计聚焦超构表面解决方案可将光刻步骤的结构信息通过光学操控直接表达,从而使得无掩膜光刻成为可能。由于这项技术在未来光刻行业具有重要应用前景,《麻省理工技术评论》(MIT Technology Review)以“Why Metalens are about to Revolutionize Chip-making”为题对这项技术进行了专报道。此外,Electro Optics也对这项技术进行了专题报道。
 
2 开发低成本超构器件设计方案和工艺体
针对可见光波段芯片化集成平面超构纳米结构及器件制造困难、成本高等难题,叶茂创新性地开发了抗刻蚀延迟的超构透镜设计方法以及富硅基氮化硅超构透镜设计与工艺体系。
光学超构表面是通过远小于波长的纳米结构,实现对电磁波(光)的完美控制的平面集成光子学器件。然而在制造方面,该类器件需要基于可见光波段透明的材料,大面积制造几十纳米级高宽比的纳米结构。这项制造工艺耗时长、成本高,极具挑战性。针对制造刻蚀工艺中无法避免的刻蚀延迟效应(R.I.E lag),叶茂独立开发了可抗刻蚀延迟的超构透镜设计方法,从设计的角度克服了制造过程中无法避免的刻蚀延迟带来的结构坡度对超透镜性能的影响,设计并验证了可见光波段抗刻蚀延迟的聚焦超构透镜。此外,为兼顾器件的性能和纳米制造成本,开发了用于可见光波段超构表面的富硅氮化硅薄膜材料,并开发出基于这种材料的纳米制造工艺,实现了最小结构40 nm左右(高宽比15)、最小结构15 nm左右(高宽比20)的光学超构表面的制造。该项工艺流程主要包括等离子化学气相淀积(PECVD)、电子束光刻(EBL)和深度反应离子刻蚀(DRIE)。该项制造流程最大的优点是将制造过程与工业级芯片制造工艺相结合,省去了高耗时、高成本的制造流程(如原子层淀积等),降低了芯片化集成超构透镜的制造成本。由于具有远超传统二氧化钛材料的折射率,基于该工艺的超构表面将红光波段(685 nm)的超构相元的周期缩小至220 nm,有效提升了超构透镜的工业化潜力。
 
3 推动集成超构光学器件的工程化应用
在工程应用方面,叶茂通过探索平面纳米结构对光的精准相位控制,开发了基于平面纳米结构(20 nm级)的光学相控阵集成光学超构表面的非机械式可控偏光解决方案,该方案有望在很大程度上减小激光雷达的体积、重量和成本,突破汽车自动驾驶传感器体积重量大、无法在表面放置等阻碍;通过对亚波长圆锥纳米结构的散射光子学特性的研究,开发了用于医疗影像设备中核心闪烁体器件的光抓取技术,该技术有望提高常规医用闪烁体的发光效率,提升CT、PET等医疗影像设备的成像亮度和对比度;利用平面集成光子学方法开发了微型聚光太阳能器件,突破了聚光太阳能系统体积大、移动不便的难题,同时提升了效率。
激光雷达是目前无人驾驶车辆使用的主要传感器,它具有适于行车的探测距离和测距精准等特点。然而目前工业界所使用的车载激光雷达主要应用的是机械式激光雷达,主要通过旋转实现二维扫描。这种传统的激光雷达体积和重量都偏大,而且无法在汽车表面铺设多个来满足完全形态自动驾驶所需的扫描维度。因此,开发下一代芯片集成激光雷达成为汽车工业目前最迫切的需求之一。芯片集成激光雷达是将传统的机械激光雷达集成在芯片上,缩小激光雷达的体积、重量,同时降低成本,从而完成在汽车表面覆盖多个来实现自动驾驶所需的扫描维度。2017年,叶茂开始参与研发芯片集成激光雷达中的核心偏光组件,并探索基于光学相控阵和光学超构表面的非机械式可控偏光方案,设计并制造了基于近红外光源的光学相控阵,实现了芯片集成激光雷达100 nm波段(1 5001 600 nm)扫描角度偏转20°的指标,整体器件体积小于 10 mm3, 重量小于3g。
闪烁体是医疗计算机断层扫描设备的核心部件,其具体功能是将不可见的扫描射线转化为可见光,后续设备再对闪烁体的发光进行成像。然而闪烁体材料一般具有高折射率的特征,大部分转化的可见光被束缚在晶体内,无法贡献给后续的成像过程。对此,叶茂参与开发了可用于医用闪烁体材料的光抓取纳米结构。该结构基于单步反应离子刻蚀,可以将常规医用闪烁体的发光效率提升30%左右。
聚光太阳能系统是通过大型光学透镜,将光聚焦在太阳能电池的有源区从而进行高效能量转化、同时缩减成本的一种太阳能发电系统。然而该类系统由于搭载了大型玻璃透镜导致体积大且笨重,无法根据太阳方位进行灵活调整,最终导致能量转换效率受到大幅损失。叶茂利用芯片集成平面光子学方法,开发了芯片集成微型聚光太阳能电池系统技术,将传统的聚光太阳能光学器件(通常为1m大小)缩至毫米级,从而提升聚光太阳能系统的灵活性,扩展应用场景。
叶茂的研究成果涵盖了多种芯片集成光子/光电器件,不仅在前沿领域首创多种功能型光学超构表面/超构透镜,而且在激光雷达与医疗器械的工程化应用方面开展了广泛深入的合作和研究。下一步,叶茂将进一步运用在芯片集成光子学/光电器件与芯片集成纳米制造方面的丰富经验,依托北京航空航天大学量子精密传感团队,围绕芯片集成原子磁强计的设计、仿真、制造、测量的闭环技术开展攻关,力争在芯片集成平面VCSEL光源模组、芯片集成光调制与差分模组、平面集成芯片化碱金属气室等方面取得突破,以期为国家迫切需求的高精度、阵列式、集成化量子精密磁测量系统的开发奠定坚实基础。