引言
随着5G通信、高速光电子和量子信息技术的快速发展，先进压电和光电功能材料的研发正成为推动芯片性能跃升的核心动力。传统材料虽已广泛应用于相关器件中，但在应对更高频率、更低损耗和更强功率耐受性等方面逐渐面临性能瓶颈。近年来，一种兼具优异光电特性与制造可扩展性的材料——钽酸锂（LiTaO₃），在科研和产业界快速崛起，并在钽酸锂薄膜化（LTOI）技术的推动下进入了规模化应用，成为新一代射频滤波器、集成光子和量子器件的核心材料之一。
在5G滤波器等应用的推动下，钽酸锂薄膜（LTOI）已实现大规模商用。其制备工艺与绝缘体上的硅（SOI）相近，具备高效率、低成本的优势，使其在规模化生产中极具竞争力。此外，钽酸锂薄膜在性能上表现出以下关键优势：
优异的化学稳定性
钽酸锂为氧八面体铁电晶体，其晶体结构中钽原子（Ta）与氧形成强键合的八面体配位。由于钽原子质量较大，使得钽酸锂具有较高的质量密度，同时形成了更强的化学键，从而提高了强度和化学稳定性。
宽光学带隙（3.93 eV）
较大的带隙使其在紫外至可见光波段具有优异的光学透过性，同时支持高效的非线性光学转换，拓展了其在短波长激光器及紫外光子学中的应用。
低光学各向异性（Δn = 0.004）
钽酸锂的光学双折射效应较弱，可有效抑制紧密波导弯曲处的模式混合问题，提升集成光学器件的性能稳定性。
高光损伤阈值
在高功率激光调制器及非线性光学频率转换等应用中钽酸锂能够承受更强的激光功率而不易发生光致折射率变化或结构损伤，确保器件的长期可靠性。
低微波损耗（适用于量子转换器件）
在微波-光量子转换领域，钽酸锂的微波损耗角正切值显著降低，为实现高转换效率的量子器件提供了重要材料基础。
综上，钽酸锂薄膜凭借其成熟的制备工艺和优异的综合性能，在5G通信、集成光学、高功率激光及量子技术等领域展现出广阔的应用前景。
图源：Wang, C., et al. Nature 629, 784–790 (2024)
超低损耗的钽酸锂光电平台
基于“万能离子刀”的异质集成技术可以实现硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆的制备，目前该技术已成功应用于生产硅、碳化硅以及铌酸锂等多种薄膜单晶体材料。这一过程主要涉及离子注入、晶圆键合、退火以及薄膜表面平坦化。在离子注入步骤中，钽酸锂可以通过注入质量较轻的氢离子实现剥离，实现更小的注入损伤和更高的制备效率。
上述过程得到的高质量LTOI晶圆具有极低的表面粗糙度，研究人员通过利用基于深紫外（DUV）步进光刻机的制造工艺对钽酸锂薄膜进行蚀刻，所制备的微环谐振器具有约700万的本征Q值以及5.6 dB/m的低损耗，并且其吸收限制损耗实测值仅为2 MHz，这表明当前的损耗主要是散射损耗。该损耗值与目前最先进的铌酸锂薄膜（LNOI）平台处于同一水平。
图源：Wang, C., et al. Nature 629, 784–790 (2024)
更宽频谱的电光频率梳芯片
光学频率梳技术在精密测量、微波合成和天文光谱观测等领域有着广泛的应用。传统的电光频率梳受限于体块结构的效率低下，带宽有限。近年来，基于光学集成电路（PICs）的微腔光学频率梳得到了广泛的研究，尤其是智能剥离技术的薄膜铌酸锂（LiNbO₃）的出现，推动了具有大普克尔斯（Pockels）系数的电光光子集成电路的发展。对于微腔光梳而言，基于Pockels电光效应的电光频率梳与传统的耗散Kerr光频梳相比具有更好的可操作性，无需依赖传统克尔光频梳所需的锁模机制。然而，铌酸锂的固有双折射问题导致模式混合严重，对频谱范围造成限制，影响了这一技术的实际应用。
LiTaO3和LiNbO3微腔的双折射引起的(a)(b)模式交叉效应以及对(c)(d)微腔色散和(e)(f)梳齿展宽的影响；图源：Zhang, J., Wang, C., et al. Nature 637, 1096–1103 (2025)
薄膜钽酸锂LTOI平台成功解决了这些问题。研究人员充分发挥钽酸锂低双折射的优势，并结合微波谐振电路的设计优化，实现了一个微波模式和两个邻近光学模式的谐振，其单光子EO耦合率g0 = 2π × 2.2 kHz，比传统体材料方案提升了300倍以上。这种临界耦合的MMIC谐振器在消除功率反射的同时，还提高了腔内微波泵浦光子数，有效地提高了电光耦合效率，最终实现了间隔为29.6 GHz、跨度超过450 nm、谱线超过2000条的集成电光频率梳，频谱全面覆盖了电信E、S、C、L和U波段。该超宽电光频率梳实现了7 W以下的片上微波和光泵浦总功耗。
此外，在LV-CMOS级的微波泵浦功率下，可以产生80 nm的光梳谱宽，相比于非谐振电极，功率降低了16倍，这进一步简化了未来实现片上全集成的频率梳产生方案。
本工作中的钽酸锂电光频率梳不仅将器件尺寸缩小至1 cm2内，同时证明了所采用的微波光波共振方案可进一步降低电光频率梳对泵浦激光失谐的敏感性，电光频率梳能在超过90% FSR的激光失谐范围内稳定工作，因此本工作所实现钽酸锂电光频率梳可以通过DFB激光器启钥式产生，并具有大范围的稳定可调性能。
基于薄膜钽酸锂平台展示了频谱跨度超过450 nm的电光频率梳产生芯片，为芯片级的宽谱光学频率梳产生提高了一个极具可行性的方案，并且在光与微波共振设计上的创新也为提升超导量子比特读取效率开辟了新路径。这一工作为下一代芯片级的多光源相干通信、光谱学和超低噪声毫米波合成提供了一个极具潜力的技术平台。
超宽谱的钽酸锂电光频率梳芯片；EO梳产生和表征的实验装置；450nm谱宽表征结果；图源：Zhang, J., et al. Nature 637, 1096–1103 (2025).）
更稳定的高速电光调制芯片
在5G和人工智能(AI)等新技术广泛应用的推动下，在全球数据流量激增，高速光通信调制器面临降低能耗和成本的同时提升传输速率的挑战。在过去的几年中，由于硅光子器件可以利用技术成熟的CMOS工艺大批量生产，硅光子技术已经被广泛应用于光收发器市场。然而，依靠载流子色散效应的硅光子电光调制器在带宽、功耗以及自由载波吸收和调制非线性等面临巨大挑战，无法满足1.6 Tbit/s及以上线路速率的高效收发器的需求。为此，钽酸锂平台凭借其低成本、大规模量产潜力和优异性能脱颖而出，具有低双折射、高光损伤阈值和弱光折变效应，有效缓解了直流偏置漂移问题。
图源：Wang, C., et al. Optica 11, 1614-1620 (2024)
在该平台上开发的马赫-曾德尔调制器（MZM）通过优化钽酸锂异质衬底结构和微波电路实现群速度匹配，以及采用高电导率银电极降低微波电极的损耗，得电光3dB带宽约110GHz，半波电压-长度积为2.8V·cm。由于更低的双折变效应，所制备的TOI电光调制器在直流偏置漂移方面被验证具有更稳定的性能。研究人员还通过数据传输实验验证实了其稳定性，以176GBd符号率实现8电平脉冲幅度调制（PAM8）传输，单载波净数据速率超过400Gbit/s，误码率低于25%软判决前向纠错阈值，性能媲美现有最优平台。这一突破为下一代光通信提供了低成本、低功耗和超高速的解决方案。围绕更稳定的钽酸锂高速电光调制器的研究工作近期也大量展开。
图源：Wang, C., et al. Optica 11, 1614-1620 (2024)
更宽谱的阵列波导光栅器件
阵列波导光栅（AWG）作为光通信系统中实现波分复用（WDM）的核心器件，广泛应用于多通道光信号的分波与合波，在片上光谱学、光学信号处理和集成传感系统中也发挥着基础性作用。随着集成光子学向高密度、高通道数和宽频谱覆盖发展，AWG的性能需求不断提高，尤其在插入损耗、通道间串扰、工作波段宽度和制造可重复性方面提出了更高标准。传统AWG平台如基于硅或铌酸锂虽具备一定成熟度，但受限于其强双折射特性，导致在复杂波导结构中模式控制困难，易产生偏振依赖性和模态串扰，影响器件性能一致性和系统可扩展性，在高通道数和宽带覆盖条件下仍面临若干瓶颈。相比于铌酸锂平台在设计中面临的各向异性挑战，钽酸锂平台因其更低的光学各向异性和相当的电光系数成为更优选，研究人员在最新一期的Optica论文中展现了钽酸锂薄膜在AWG方面的极高的设计与制造简便性。基于这一平台构建的AWG器件实测插入损耗低于4 dB，通道串扰优于 –14 dB，通道间隔为100 GHz，通道间隔约为100 GHz，兼容国际电信联盟（ITU）标准的密集波分复用（DWDM）系统需求，标志着在钽酸锂平台上构建片上高密度光通信发射器迈出了关键一步。得益于薄膜钽酸锂晶圆级制备工艺的成熟，该类AWG器件具备可重复、高良率和低成本制造的潜力，为后续规模化光子芯片生产提供了现实可行的解决路径。
钽酸锂阵列波导光栅；图源：Hulyal, S., et al. Optica 12, 978-984 (2025)
总结与展望
薄膜钽酸锂LTOI平台凭借其低光学损耗、低双折射性能、弱光折变和优异的电光转换等特性，已成为新一代的电光平台，并在光通信、微波光子市场应用中展现出巨大的潜力。相比于铌酸锂，钽酸锂在多个方面表现出明显优势，包括更低的光学损耗、更低的双折射、更稳定的电光调制性能以及更宽的电光频率梳带宽。这些优势使得薄膜钽酸锂LTOI平台在未来的高密度波分复用（WDM）、低温量子读取和可见光波段集成光子学中具有广阔的应用前景。
未来，薄膜钽酸锂LTOI平台将进一步推动超高集成度光电模块的发展。在发射端，钽酸锂光电集成芯片将集成阵列波导光栅（AWG）和电光频率梳（EO comb）等核心器件，实现高效的光信号处理。在低温量子读取领域，薄膜钽酸锂LTOI平台将集成低温超低驱动电压电光调制器（SEOM），满足低温环境下高速、低功耗的要求。在可见光波段，钽酸锂的宽透明窗口使其能够在水下高速无线通信和原子跃迁激发等应用中发挥重要作用。随着技术的不断进步，薄膜钽酸锂LTOI平台必将在更多领域中展现其卓越性能，为未来的高科技应用提供坚实的基础。
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