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薄膜铌酸锂(TFLN)为克服硅材料调制限制提供了解决方案。这种材料具有优异的电光特性，且无载流子吸收，能够实现高速调制并具备卓越的能效。然而，将薄膜铌酸锂集成到现有硅基光电子平台中面临显著的制造挑战。传统键合方法需要大面积基板，并引入与标准半导体制造工艺不兼容的污染风险。

薄膜铌酸锂的异质集成通常涉及芯片对晶圆或晶圆对晶圆键合方法。这些方法需要大面积键合区域，并要求包括基板移除和铌酸锂刻蚀在内的后处理步骤。此类工艺在标准CMOS代工厂中引入锂污染担忧，限制了薄膜铌酸锂器件在商用光子系统中的实际应用。

图1：显微图像展示了(a)1.1厘米长微转移印刷薄膜铌酸锂马赫曾德尔调制器的整体视图，(b)输入MMI耦合器，(c)采用GSG配置金电极的电光相位调制器，以及(d)输出MMI耦合器。

微转移印刷技术代表了异质集成方法的重要进展，解决了传统键合方法的许多限制。这种技术能够使用弹性体印章将预制器件组件从源晶圆选择性转移到目标基板上。该工艺允许功能器件精确放置到光子芯片的特定区域，显著减少所需键合面积，同时避免CMOS代工厂中锂处理相关的污染问题。

微转移印刷工艺始于在专门设计的耦合片上制造薄膜铌酸锂器件，这些耦合片设计用于从源基板上容易释放。耦合片必须设计合适的支撑结构，在释放和转移过程中保持机械稳定性。以往薄膜铌酸锂器件微转移印刷的尝试受到支撑结构机械约束的限制，器件长度仅限于几毫米，导致驱动电压过高，限制了实际应用。

图2：自由悬浮1.1厘米长薄膜铌酸锂马赫曾德尔调制器耦合片的制造工艺，显示了(a)通过干法刻蚀制造的薄膜铌酸锂耦合片，红色突出显示单片铌酸锂拴系结构，以及(b)经DHF底切后的自由悬浮铌酸锂耦合片。

实现更长薄膜铌酸锂器件的关键突破在于优化在转移过程中悬浮耦合片的机械支撑结构。研究人员专注于设计具有足够机械强度的单片铌酸锂拴系结构，以支撑长达1.1厘米的器件。这些拴系结构必须精心设计，既要提供充分支撑，又要足够细薄以便在转移过程中容易断裂。

设计优化涉及创建间隔放置的单片拴系结构，最小宽度约为2.5微米，沿耦合片长度方向每150微米放置一个。这种配置提供了必要的机械稳定性，防止耦合片在湿法刻蚀后关键干燥阶段的塌陷。使用稀释氢氟酸去除耦合片下方的牺牲二氧化硅层，随后进行液体二氧化碳超临界点干燥，以防止可能损坏悬浮结构的表面张力效应。

图3：1.1厘米长薄膜铌酸锂马赫曾德尔调制器耦合片的微转移印刷工艺，显示了(c)使用PDMS印章的拾取过程，(d)将薄膜铌酸锂耦合片印刷到硅目标基板上，以及(e)电极形成的剥离过程。

实际转移过程需要对多个参数进行精确控制，以确保器件集成成功。使用针对此应用所需特定机械特性优化的图案化聚二甲基硅氧烷弹性体印章来选择悬浮薄膜铌酸锂耦合片。印章必须以足够力度压在耦合片上以产生粘附力，同时避免损坏精密的铌酸锂结构。

转移过程涉及两个决定成败的临界速度阈值。在拾取过程中，印章必须以高于临界条件的速度从源基板上剥离，确保耦合片粘附到印章上而不是留在源晶圆上。相反，在放置到目标基板时，印章必须以低于临界阈值的速度移除，确保耦合片转移到目标基板而不是仍附着在印章上。

薄膜铌酸锂耦合片与硅目标基板之间的键合采用氧等离子体激活直接键合，在不需要额外聚合物层的情况下产生强粘附力。耦合片和目标基板表面在接触前立即接受氧等离子体处理，产生反应性表面基团，接触时形成强化学键。这种方法消除了对苯并环丁烯等粘附层的需求，这些粘附层可能引入额外光损耗并使器件结构复杂化。

完成的微转移印刷薄膜铌酸锂调制器展现出卓越的性能特征，相比以往方法取得了显著进展。器件实现了仅2.7伏的半波电压，这是迄今为止报告的微转移印刷薄膜铌酸锂调制器的最低驱动电压。这种低驱动电压源于刻蚀铌酸锂波导中强光学限制与改进机械支撑设计所实现的9.9毫米延长相互作用长度的结合。

图4：损耗评估显示了(a)用于截断法测量的不同器件长度微转移印刷薄膜铌酸锂波导，(b)10毫米长波导的透射光谱，以及(c)透射率与波导长度的关系，拟合传播损耗为0.7 dB/cm。

传播损耗测量显示出优异的光学质量，损耗仅为每厘米0.7分贝，与最先进的单片铌酸锂器件相当。这种低损耗性能表明微转移印刷工艺除了固有材料特性外，引入的额外光学退化极小。完整调制器的插入损耗仅为0.97分贝，包括传播损耗和用于光输入输出的多模干涉仪耦合器的耦合损耗。

图5：电压响应特性显示了(a)在100 kHz频率下施加三角波电压时归一化透射率的时间演化，(b)归一化透射率与施加电压的函数关系，展示了2.7 V的半波电压，以及(c)光学模式和直流电场的模拟横截面场分布。

微转移印刷调制器的高速性能特征证明了其适用于下一代光通信系统。带宽测量显示较短器件可实现超过50吉赫兹的调制频率，而较长的9.9毫米器件保持28吉赫兹的3分贝带宽。较长器件中的带宽限制源于光学和微波传播速度的失配以及接地-信号-接地电极配置相对较低的特征阻抗。

图6：高速性能显示了(a)电光响应特性测量装置和(b)3.0毫米和9.9毫米不同相移长度微转移印刷薄膜铌酸锂马赫曾德尔调制器的频率响应，展示了高达50 GHz的带宽。

使用非归零信号的50吉比特每秒操作演示确认了这些器件在当前和未来高速光链路中的实用可行性。眼图测量显示即使在这些极端数据速率下也有清晰的信号完整性，表明调制器能够满足先进光收发器商业部署的信号质量要求。

图7：高速操作演示显示了(a)眼图特性测量装置和(b)使用PRBS7模式的50 Gbps非归零信号的清晰眼图，确认了高速操作能力。

微转移印刷技术的这一进展代表了朝向实用异质光子系统实施的重要步骤，这些系统能够满足未来光通信网络的苛刻要求。使用后制造工艺将高性能薄膜铌酸锂调制器集成到硅基光电子平台的能力为创建复杂光子系统提供了新的可能，这些系统结合了多种材料平台的最佳特性。

微转移印刷方法的灵活性允许将完成的薄膜铌酸锂器件集成到各种基板材料上，包括硅、石英、蓝宝石或专用低介电常数基板。这种多功能性能够针对特定应用优化底层平台，同时保持铌酸锂组件的卓越电光性能。此外，该技术支持在单个光子芯片上集成多种不同材料，实现使用传统单片制造方法无法创建的多功能器件。

研究表明微转移印刷能够实现实用光子器件所需的精密对准，使用专用印刷设备实现了优于0.5微米的精度。这种精度水平通过精心设计的耦合结构实现了不同材料系统之间的低损耗光学转换。在标准CMOS工艺完成后集成预制器件的能力消除了污染担忧，并能够使用现有半导体制造基础设施创建先进光子系统。