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简介

光电芯片技术为在芯片上使用波导、耦合器、调制器、探测器和其他组件操纵光提供了紧凑、可扩展的平台。虽然在 1.3 和 1.55 μm 左右的电信波长方面取得了巨大进步，但将光电芯片功能扩展到 0.4-1 μm 的更短、可见光和近红外波长，可使数据通信、光谱学、生物医学成像、量子技术等应用受益匪浅。然而，像电光（EO）调制器这样的高性能有源光子组件在这些波长上的表现却相对落后。

最近，UC San Diego的研究人员取得了突破性进展，报告了基于氮化硅（SiN）和薄膜铌酸锂（TFLN）混合波导的集成 EO 马赫-泽恩德调制器（MZM），在 784 nm 近红外波长上同时实现了 100 GHz 的调制带宽和 1 V 的半波电压[1]。本文解释了这一成果的意义以及实现这一成果的混合集成方法。

对高速、低压调制器的需求

电光调制器对于将电信号编码到光载体上进行传输、处理和检测很重要。电光调制器的关键指标是调制速度、半波电压 V_π 和光损耗。调制带宽应超过信号带宽，而较低的 V_π 则可降低功耗。以前，近红外波长的集成 EO 调制器要么速度有限（<40 GHz），要么 V_π 较高（>4V）[2]。

新型 MZM 是首个低于 1V 的调制器，在可见光/近红外波段的带宽超过 100 GHz。这种高速和低电压的结合使复杂的调制格式能够在数据通信和其他应用中实现高达 100 Gbps 的传输。与以前的近红外调制器相比，100 GHz/V 的数字也意味着调制效率提高了 10 倍，从而降低了驱动功率要求。

混合薄膜铌酸锂（TFLN）以及氮化硅（SiN）的集成方法

如图 1 所示，混合 MZM 是通过在图案化的 SiN 波导上粘接一层 200 nm 的 x 切割 TFLN 而制成的。TFLN 提供了 EO 效果，而 SiN 则利用可扩展的晶圆级工艺定义了低损耗波导和路由。绝热 SiN 锥体将光学模式重叠集中在 TFLN 区域，以实现高效的相位调制。

图 1. (a) 混合键合 SiN-TFLN 调制器的俯视示意图（未按比例）。(b) 模拟的光群指数 ng 和 TFLN 区域 0LN 中光的约束积分与 SiN 波导宽度的函数关系。垂直点虚线红线对应于面板（e）中显示的模式。水平黑虚线对应的是射频传输线在 110 GHz 时的模拟射频指数。横截面的 Poynting 向量大小显示： (c) 馈电 SiN 波导（无 TFLN），(d) 过渡 SiN 波导，(e) 移相器部分混合波导。(f) 本文讨论的射频传输线截面尺寸。(g) 具有几种不同 MZM 结构的混合芯片的光学显微镜图像。

图 2. TFLN-SiN 混合调制器制造主要步骤流程图。(横截面为示意图，不按比例）。

这种混合方法充分利用了两种材料系统的优点--铌酸锂的超电光系数和 SiN 的低损耗、可制造性波导。由于只有很薄的 TFLN 层直接粘合在加工过的 SiN 晶圆上，因此无需对脆弱的 LN 层进行蚀刻或抛光。这样就产生了一种高性能、可扩展的调制器结构。

慢波共面电极

为了与高光带宽相匹配，行波电极通过同步微波和光速来实现宽带射频调制。如图 1-f 所示，含有周期性电容负载的慢波共面电极可将射频场集中在狭窄的电极间隙上，从而产生强烈的光学相互作用。

光学和微波模式的同步速度和限制工程对于在这种紧凑型混合波导平台的宽频率范围内实现强大的调制效率很重要。

高 EO 带宽和低半波电压

受限于仪器带宽，已报道的具有 0.4 厘米和 0.8 厘米长移相区的 MZM 显示出超过 100 GHz 的平坦频率响应。通过严格的光学模式约束，低频 Vπ 分别为 2V 和 1V。

1 Vπ, 0.8 cm 的器件对应于 0.8 V∙cm 的创纪录 V_πL 乘积。UC San Diego论文中的图 3 描绘了最先进调制器的 EO 带宽与 V_π 的关系，证实了这种 TFLN-SiN 混合集成方法在近红外波长上实现了前所未有的综合性能[1]。

未来展望

784 nm 波长的高速、低电压 EO 调制器的首次展示，凸显了混合光子集成技术在可见光和近红外波长下实现高效相位和强度控制的潜力。所述的异质集成、绝热模式转换和慢波电极工程方面的创新与现有的硅基光电子制造技术兼容，可迁移到其他材料平台和工作波长。

通过将以前仅限于电信波段的集成 EO 调制器的性能优势引入可见光和近红外波段，研究人员为集成非经典光学、光量子学、光信号处理、生物光子学等开辟了令人兴奋的新机遇。利用紧凑型驱动器生成任意光波形的能力还将为各种互连长度的光通信带来益处。

参考文献

[1] F. Valdez et al., “100 GHz bandwidth, 1 volt integrated electro-optic Mach-Zehnder modulator at near-IR wavelengths,” Optica, vol. 10, no. 5, pp. 578-584, May 2023.

[2] D. Renaud et al., “Sub-1 volt and high-bandwidth visible to near-infrared electro-optic modulators,” Nature Communications, vol. 14, no. 1, pp. 1-8, Feb. 2023.