基于铜达马斯克工艺的高性能薄膜铌酸锂调制器

为什么更快的光学芯片很重要

每一次视频通话、云端游戏或人工智能查询，都依赖于将电信号转换为光信号并再转换回来，以便数据在光纤中高速传输。执行这种转换的元件称为光学调制器，它们在悄无声息中限制着网络和计算设备的速度与能效。本文探讨了一种新的调制器制造方式，使其能够在极高速下工作、承受较强的光功率，并能使用现代微芯片中已标准化的基于铜的工艺生产。

在芯片上把电变成光

光学调制器处于设备电子“核心”与承载远距离信息的光纤之间的界面。在许多当今的高端系统中，这些调制器由特殊晶体制成，例如铌酸锂或钽酸锂，它们在施加电场时会改变折射率。近来的进展将这些晶体做成了薄膜并固定在衬底上，使光可以在微小通道或波导中被强束缚，从而在极小的占用面积上实现更快的运行。然而，向这些微小结构输送驱动电信号的金属布线并未跟上其它技术的步伐。

为什么铜布线很关键

传统调制器常采用容易加工的金电极，但金并不适合现代数据中心和人工智能硬件所需的超高频信号。当电流以数十吉赫兹的频率振荡时，电流会趋肤于窄金属线的边缘，导致电阻和能量损失增加。铜的电阻率显著低于金，意味着更少的信号以热量形式浪费。关键是，铜已是主流微电子中的主力金属，广泛应用于所谓的达马斯克（Damascene）工艺：在绝缘层中刻蚀沟槽、填充铜并抛光平整。作者意识到，将这种工业化的铜工艺引入薄膜钽酸锂调制器既能降低电损耗，又能更容易地将光电芯片直接堆叠在一起。

构建新型光学调制器

研究团队以商用薄膜钽酸锂晶圆为起点，刻画出束缚光的微型波导。随后他们采用达马斯克流程在这些波导上方的氧化物层中定义浅槽，沉积铜种子层、电镀形成厚铜线，最后用化学-机械平坦化工艺抛光表面。得到的是一组光滑、嵌入式的铜电极，它们靠近光路径且与周围材料平齐。这种平整性很重要：它使得未来的“芯片叠芯片”或“芯片叠晶圆”键合成为可能，驱动电子器件可以利用新兴的铜对铜混合键合技术直接安装在调制器上方。

测量结果显示了什么

细致的电学测试表明，铜线的电阻率比可比的薄膜金降低了约20%，部分原因是铜的自然自退火效应会随着时间改善其内部结构。作为高频传输线时，这些电极相比金可将微波损耗大约降低10%，同时保持信号速度和阻抗等其他特性基本不变。集成到马赫–曾德尔（Mach–Zehnder）调制器中——该器件将光分成两路、施加可控相移然后再合并——铜布线展现出优异性能。调制器实现了低驱动电压、带宽可达100 GHz的宽频响应，并在宽频率和光功率范围内保持稳定工作。长期测试显示，其工作点在15小时内漂移不到0.5 dB，减少了持续电子校正的需求。

为未来网络提升数据速率

为展示这些器件在现实场景下的性能，研究人员使用基于铜的调制器传输了复杂的多电平光信号（即PAM4和PAM8），符号率高达208 Gbaud。采用标准误差校正技术后，他们通过单个调制器实现了超过400 Gbit/s 的净数据率，可与迄今报道的最佳薄膜铌酸锂器件相媲美。重要的是，在某些测试中系统瓶颈来自可用的电子驱动器硬件，而非调制器本身，这表明这些器件仍有更大的潜力。

对日常技术意味着什么

简言之，这项工作表明，用于制造先进计算芯片的同样铜布线方法，也可以用来制作顶级的钽酸锂光学调制器。通过降低电损耗、维持对光的强有力控制并提供可直接键合的平坦表面，这一方法为紧密同封装光学开辟了实用路径——光学元件可以与处理器和存储器仅相距数微米。这样的集成有助于未来数据中心、通信网络和人工智能加速器更快地移动信息，同时降低能耗并缩小体积，超越当前的可能性。

引用: Lin, M., Li, Z., Kotz, A. et al. Copper damascene process-based high-performance thin-film lithium tantalate modulators. Nat Commun 17, 3211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69588-6

关键词: 电光调制器, 铜达马斯克, 薄膜铽酸锂, 同封装光学, 高速光互连