研究背景

随着半导体工艺接近量子极限，人工智能时代的计算需求日益增长，传统电子硬件在处理大规模计算时往往性能不理想。光子集成芯片是克服传统集成电路局限性的一种有前途的解决方案，它既能高效执行线性矩阵运算和非线性计算，又能保持卓越的能效。

铌酸锂具有卓越的电光、非线性光学、声光和压电特性，广泛应用于各个领域，包括光子集成芯片、光学数据存储系统、热传感器和微纳流体设备。铌酸锂与绝缘体上硅波导的异质集成可促进电光可调谐振器、马赫-泽恩德调制器和中红外调制器等先进元件的研发。

铌酸锂和玻璃之间的折射率差异很大，因此可以在高折射率对比平台上实现块状铌酸锂的异质集成，这样不仅可减小波导弯曲半径、提升集成密度，还能保留铌酸锂优异的材料特性，进而促进器件的微型化和性能提升。然而，通过直接粘合实现铌酸锂与玻璃的一体化面临着挑战。虽然利用有机材料进行键合是常用的方法，但由于材料特性的固有限制，这种方法并不适合制造可靠的光电器件。晶体键合技术和表面活性键合各具优缺点，亦不适合用于铌酸锂和玻璃基底之间的直接键合。

超短脉冲激光键合技术可实现微尺度的直接键合，无需中间层或后处理热处理，同时还具有极高的加工灵活性和操作简便性。这种键合技术可提高光子集成芯片的集成密度，并有助于在微/纳流体应用中实现高效的表面声波传输。

创新工作

赵全忠研究员团队使用超短脉冲激光成功实现了铌酸锂和玻璃的键合；通过系统研究激光功率和重复频率等关键激光参数对铌酸锂和玻璃键合界面结构特征的影响，并通过综合强度测试定量评估了键合界面的力学性能，揭示了加工参数与键合强度之间的相关性。

实验中使用的光学玻璃样品尺寸为6.7 mm×10 mm×0.5 mm，铌酸锂晶体样品尺寸与之相同。通过施加外部压力实现光学贴合，使两个样品通过范德华力粘接。激光通过玻璃的表面端聚焦在玻璃/铌酸锂界面下方100 μm处。

为了研究激光功率和重复频率对键合质量的影响，团队系统地改变了重复频率和平均功率，而脉冲宽度、扫描速度和扫描线间距分别保持在180 fs、0.5 mm/s和 100 μm的恒定值。

铌酸锂与玻璃之间的键合机制被认为源于光致相变，而非简单的热熔化。当受到高功率密度激光照射时，铌酸锂与玻璃的键合界面会转变为等离子体状态，实现两种材料的连接；该连接在激光停止后会固化，如图1所示。显然，随着单脉冲能量的增加，玻璃中的致密化结构会扩大。这一现象发生的原因是：更高的单脉冲能量会扩大能够诱导材料相变的功率密度区域，从而增加致密结构的体积。

图1 光诱导铌酸锂与玻璃局部相变的示意图：（a）玻璃和铌酸锂的原始分子结构；（b）光诱导的局部相变；（c）局部固化后连接区域的形成

激光功率和重复频率对铌酸锂与玻璃之间结合强度的影响如图2所示。当激光重复频率固定为10 kHz时，单脉冲能量从22 μJ增加到38 μJ，键合强度并未显示出显著的变化趋势，而是围绕5 MPa波动。

图2（a）单脉冲能量增加时连接强度的变化，重复频率为10 kHz；（b）总功率为300 mW时，重复频率降低时连接强度的变化

结论

实验结果表明，当激光重复频率保持在10 kHz时，玻璃中的致密化结构随单脉冲能量增加而扩大；然而，键合强度与单脉冲能量之间未显示出显著相关性。相反，当总激光功率保持恒定为3.00 W时，降低重复频率并相应增加单脉冲能量导致玻璃中的致密化结构扩大，且键合强度显著增强。这些实验结果表明，光致相变和热致相变在微观分子水平上表现出不同特征，值得进一步研究。