五氧化二钽光子学在任意衬底上的单片三维集成

光子学领域涵盖了广泛材料平台，每种平台都针对特定功能进行了优化，然而没有一种平台能满足当前和不断发展的光子应用的所有需求。虽然结合集成光子学材料可以增强整体能力——例如统一非线性光学、低损耗无源器件和电光效应——但材料和工艺兼容性仍然是一个重大挑战。我们提出了将五氧化二钽（Ta$_2$O$_5$，以下简称氧化钽）光子学全晶圆、单片三维集成到任意衬底上的方法，并在此以硅上薄膜铌酸锂（LN）为例进行了探索。氧化钽的独特性质，特别是室温沉积、低温退火以及为相位匹配而优化的厚膜中的低应力，使其非常适合单片三维集成，而不会损害衬底性能或兼容性。我们展示了氧化钽中低损耗、高品质因数的微谐振器和纳米光子学，周期性极化铌酸锂波导中稳健的准相位匹配，以及高效的三维层间路由。这使我们能够展示丰富的非线性频率转换过程，包括氧化钽微谐振器和光子晶体谐振器中的$\chi^{(3)}$光学参量振荡（OPO）和孤子微梳生成，周期性极化铌酸锂中的$\chi^{(2)}$二次谐波生成（SHG），以及它们的组合。与氧化钽的单片三维集成为可扩展、多功能光子学系统开辟了新范式，使可见光、近红外和非线性操作能够进入现有光子基础设施。