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引言

现代硅基光电子平台将多个关键组件集成到单个芯片上。这些组件包括掺杂的硅波导用于高速调制，加热器用于高效热调谐，氮化硅层用于低损耗传播和滤波，以及已经展示出超过200 GHz带宽的锗光电探测器。每个组件在整个收发器系统中都发挥着特定作用。挑战在于添加高性能电光调制器，同时不破坏现有平台或损害这些已建立组件的性能。

钽酸锂最近作为一种电光材料出现，提供了类似于其更知名的表亲铌酸锂的优势。两种材料都表现出强大的电光系数，能够通过施加的电场高效调制光。然而，与铌酸锂相比，钽酸锂提供了更低的偏置漂移和更强的抗光损伤能力。这两种材料的核心挑战是锂污染，这使得与硅基光电子制造中使用的标准CMOS制造工艺的集成变得复杂。

这里提出的关键创新是一种后端异质集成工艺，可以将钽酸锂添加到硅基光电子芯片上，而无需修改标准的硅基光电子工艺设计工具包。这种方法使用微转印技术，允许将钽酸锂薄膜从源晶圆上拾取并精确放置到预先制造好的硅基光电子线路上。

集成过程从一个包含所有标准平台组件的完全加工的硅基光电子晶圆开始。晶圆包括根据平台设计规则图案化的硅和氮化硅波导层。对于调制器结构，采用了马赫-曾德尔干涉仪配置，其中光被分成两个臂，独立调制，然后重新组合以产生输出信号。

图2：钽酸锂在硅基光电子集成芯片上的集成流程。（a）无源硅和氮化硅线路的架构（b）集成钽酸锂后的架构（c）制造电极后的架构（d）7毫米长异质马赫-曾德尔调制器的全貌

在这个过程中使用的钽酸锂薄膜非常薄——只有300纳米厚——但长度延伸到7毫米，宽度为30微米。这些薄膜在源晶圆上被制备成悬浮结构，薄膜密度约为每平方毫米1.5个薄膜。这种高密度在经济上很重要，因为钽酸锂是一种昂贵的材料。一个四英寸的源晶圆可以产生超过12000个这样的薄膜，最大化了从每个源晶圆中提取的价值。

打印过程采用安装在商用微转印机上的聚合物印章。在向目标芯片施加一薄层苯并环丁烯粘合剂后，印章从源晶圆上拾取一个悬浮薄膜，并将其精确定位到硅基光电子线路上。这种方法的多功能性实现了一项独特的能力：薄膜可以在调制器的两个臂上相对彼此定向180度。这种定向使得推挽操作成为可能，调制器可以由差分电子信号驱动，从而改善线性度和电磁干扰容限。

这种集成最具挑战性的方面之一是有效地将光从硅波导耦合到混合钽酸锂结构中。这种耦合通过绝热过渡实现，逐渐将光学模式从硅转移到涉及氮化硅和钽酸锂层的混合配置。该设计巧妙地利用了平台中已经存在的硅和氮化硅层。

图3：从硅波导到混合调制器的过渡。（a）三层绝热过渡的示意图，带有模式轮廓（b）预期的传输曲线显示高耦合效率

过渡设计对制造变化具有显著的鲁棒性。通过使用硅、氮化硅和钽酸锂的三层堆叠，设计在锥形长度约为200微米时实现了几乎100%的耦合效率。硅层开始时较宽并逐渐变细，而氮化硅层同时逐渐变宽，促进了光学模式的平滑转移。这种鲁棒性对于制造来说是必需的，因为在制造过程中不可避免地会出现层厚度和横向错位的变化，而设计对这些变化提供了容差。

制造的调制器在多个指标上展示了令人印象深刻的性能。半波电压——实现完整相移所需的电压——在推挽配置中仅测量为3.5伏，对应于2.3伏厘米的电压长度乘积。这种效率意味着调制器在其长度上需要相对较低的驱动电压，从而降低了实际系统中的功耗。

图4：调制器的准直流特性。（a）作为波长函数的传输，显示干涉图案（b）归一化传输与施加电压的关系，实验与模拟之间显示出极好的一致性

光学插入损耗——光通过调制器时损失的信号功率——总计约为6.7分贝。这个数字包括来自标准平台组件的贡献，如分离器和路由波导。混合电光部分本身贡献了2.9分贝的额外损耗，其中包括耦合损耗、通过混合波导的传播损耗以及金属引起的吸收损耗。有趣的是，这种损耗中约有1.6分贝是由最终金属层的制造错位造成的，这表明改进的制造对准可以将总损耗减少超过半分贝。

调制器的频率响应揭示了其超高速操作的能力。当器件在高电阻率硅衬底上制造时，实现了超过70 GHz的3分贝带宽——这是测量设备的极限。模拟表明实际带宽延伸到约90 GHz。这种卓越的带宽源于电极结构的仔细设计和衬底材料的选择。

图5：调制器的高速特性，显示EE系统和EOE系统测量设置以及比较常规和高电阻率衬底的结果

常规硅衬底与高电阻率衬底之间的比较很能说明问题。高电阻率衬底显著降低了沿电极传输线传播的射频信号的吸收。这种降低直接转化为改善的带宽，因为驱动调制器的电信号可以在更高的频率下保持其完整性。电极配置使用地-信号-信号-地的排列，使差分驱动成为可能，进一步增强了系统的抗噪声能力和线性度。

为了在真实的通信场景中验证调制器的性能，进行了广泛的数据传输实验。设置采用任意波形发生器来创建复杂的调制格式，包括非归零码和四电平脉冲幅度调制。光信号在用高速光电探测器检测之前，使用镨掺杂光纤放大器进行放大。

图6：数据传输实验。（a）测量设置（b）NRZ和PAM4格式的误码率测量（c-f）各种码元速率下的眼图显示清晰的信号质量

调制器使用非归零编码成功传输了高达190 GBaud的码元速率的数据。使用四电平脉冲幅度调制（每个码元编码两个比特），数据速率超过320 Gbps。眼图——信号质量的可视化表示——即使在这些极端数据速率下也显示出清晰的开口，表明接收到的信号可以可靠地解码。在接收器应用的64抽头前馈均衡算法有助于补偿测量设置中的带宽限制，但不需要离线数字信号处理，这展示了调制器固有的信号质量。

这里展示的性能仅仅代表了这种集成方法可能实现的开始。模拟表明，对钽酸锂层进行图案化——将其蚀刻成脊波导结构而不是留作连续板——可以将电极间隙从5.5微米减小到3.4微米。这种更紧密的间距将增强钽酸锂上的电场，将半波电压降低到约2.7伏，电压长度乘积降低到1.8伏厘米。绝热耦合结构可以设计为即使使用这些图案化波导也能保持高效率，对横向错位的容差可达0.5微米。

这种异质集成方法为下一代数据通信的可扩展、工业兼容电光平台开辟了一条清晰的路径。通过保持与现有硅基光电子工艺设计工具包和制造基础设施的兼容性，该技术可以利用CMOS制造中数十年的发展，同时添加未来通信标准所需的卓越电光性能。

参考文献