近日，南边科技年夜学深港微电子学院赵出息助理传授课题组与互助者于五氧化二钽（Ta2O5）集成光学范畴取患上新进展，研究结果接踵于国际知名光学期刊ACS Photonics，经典光学期刊Optics Express及国际光学集会2024 IEEE 9th Optoelectronics Global Conference （OGC）上发表，并获评OGC 2024最好论文奖。南科年夜均为第一单元和通讯单元。

图 1雷达图比力了五氧化二钽与其他质料（如氮化硅、铌酸锂、氮化铝及二氧化硅）于多项光学机能指标上的优胜性。附近插图展示了本事情研发的五氧化二钽集成光子器件。

于人工智能算力年夜发作时代，光子集成电路（PICs）以其兼容性、并行性、低延迟、及高能效，成为逾越摩尔定律继承晋升芯片机能的主要路子。于浩繁质料平台中，五氧化二钽依附其低光学损耗及低热光系数，于低损耗光波导、无热化滤波器、非线性集成光子器件等方面崭露头角。南边科技年夜学赵出息课题组聚焦五氧化二钽集成光子平台的开发及优化，研制出兼容CMOS后真个微纳加工工艺，为低损耗五氧化二钽集成光子器件与电子器件的光电交融集成买通了路子（图 2）。

图 2五氧化二钽集成光子平台设计与工艺。（a）五氧化二钽波导的横截面示意；（b）波导中TE基模的归一化场漫衍；（c）差别宽度波导的有用模式折射率仿真成果；（d）差别弯曲半径下TE基模的弯曲损耗仿真成果；（e）制备的定向耦合器截面的SEM图象，插图凸起了波导的外形，其侧壁角约为70°。

依托此工艺，课题构成功制备出光通讯波段流传损耗为0.27 dB/cm、品质因子（Q值）跨越106的高机能微环谐振腔（图 3），到达国际进步前辈程度。高Q值微环谐振腔是集成光学的焦点器件，于光通讯滤波、激光器外腔、光学传感、光学计较等范畴有广泛的运用。

图 3五氧化二钽高Q值回音壁谐振腔。（a）回音壁谐振腔的典型透射光谱，经由过程将丈量的FSR与仿真成果对于比确定模式阶数；（b）为对于（a）中圈出的谐振峰举行洛伦兹拟合，获得负载品质因子为1.07×10^6，本征品质因子为1.09×10^6。（c）回音壁谐振腔TE模式的归一化电场漫衍，比例尺为10 μm。

基在此平台的五氧化二钽微环谐振腔拥有较低的温度相应，谐振波长的温度漂移系数仅为9 pm/K，显著低在传统的氮化硅（Si3N4）及二氧化硅（SiO2）集成光子平台，削减了温度颠簸对于光学器件机能的影响。与其它质料（如氮化硅、氮化铝、铌酸锂）比拟，于不异模式体积下，五氧化二钽微腔的频率热折射噪声更低，其优秀的热光不变性于激光器外腔及光学参考腔上有巨年夜的运用潜力（图 4）。

图 4五氧化二钽微腔的热光相应。（a）五氧化二钽微腔的波谱温漂丈量成果；（b）五氧化二钽质料的热光系数提取；（c）五氧化二钽微腔与其它质料微腔的频率热折射噪声对于比。

赵出息课题组与中科院半导体所陆丹传授课题组互助，以五氧化二钽微腔作为半导体激光器外腔，乐成实现了半导体激光器的自注入锁定及线宽收窄。使用自耦合谐振腔的高反射与高Q值特征，漫衍式反馈（DFB）半导体激光器的线宽从27.6 kHz压缩至1.6 kHz，实现了高达12 dB的线宽压缩，频率白噪声从8.8×103Hz^2/Hz降低至520 Hz^2/Hz，同时拥有高达57 dB的边模按捺比（SMSR）。上述成果证实了五氧化二钽集成光子器件于窄线宽集成激光器范畴的运用潜力与价值。

图 5五氧化二钽外腔激光器。（a）于波长为1543.5 nm四周，自耦合谐振腔的透射及反射光谱；（b）半导体激光芯片与五氧化二钽外腔芯片对于接耦合的显微图象；（c）自由运行的DFB激光器与联合五氧化二钽外腔芯片的DFB激光器的频率噪声对于比，Ta2O5-DFB激光器的本征线宽降低了12 dB；（d）基在五氧化二钽外腔的窄线宽激光器的发射光谱，拥有高达57 dB的边模按捺比。

此外，本研究还有研发了一系列低损耗、工艺不变的五氧化二钽集成光子器件，包括自耦合谐振器、Vernier游标滤波器、Sagnac环形镜、边沿耦合器以和Y型分光器等要害模块，充实展示了该平台的多样性与可用性。

图 6五氧化二钽集成光子器件。（a）端面耦合器示用意、仿真成果、和试验成果；（b）Sagnac环路镜示用意、透射及反射系数、透射/反射比；（c）Vernier游标滤波器示用意及测试成果。

上述事情的第一作者为南边科技年夜学深港微电子学院23级博士生刘振宇，中科院半导体所郭菲副研究员、南边科技年夜学深港微电子学院赵出息助理传授为配合通信作者，南边科技年夜学为第一单元及通讯单元。该研究获得国天然、广东省、深圳市项目撑持。

相干论文信息：

1. Z. Liu#, W. Yao, M. You, X. Yu, N. Ding, W. Cheng, Z. Li, X. Tang, F. Guo*, D. Lu, and Q. Zhao*, Tantalum Pentoxide Integrated Photonics: A Promising Platform for Low-Loss Planar Lightwave Circuits with Low Thermo-Optic Coefficients, ACS Photonics (2025).

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c01485

2. Z. Geng#, W. Cheng#, Z. Yan, Q. Yi, Z. Liu, M. You, X. Yu, P. Wu, N. Ding, X. Tang, M. Wang, L. Shen, and Q. Zhao*, Low-loss tantalum pentoxide photonics with a CMOS-compatible process, Opt. Express 32, 12291 (2024).

论文链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-7-12291 id=548145

3. Z. Liu#, X. Yu, and Q. Zhao*, Low-loss and Thermorefractive-stable Tantalum Pentoxide Integrated Photonics, in 2024 9th Optoelectronics Global Conference (OGC) (2024), pp. 189–194. (Best Paper Award)

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10738749

赵出息课题组先容

赵出息课题组致力在低损耗光波导器件及非线性集成光子器件研究，重要面向光通讯、光计较、量子光学、激光雷达范畴的基础科学及工业运用。课题组的研究事情获得国天然、广东省、深圳市、武汉光电国度研究中央、区域光纤通讯网与新型光通讯体系国度重点试验室等研究机构的撑持。

赵出息课题组诚挚接待优异的博士生、硕士生、本科生的报考及插手，接洽方式：zhaoqc@sustech.edu.cn课题组网站https://liconlab.ac.cn，接待垂询！