IEEE SiPhotonics2024|混合集成薄膜铌酸锂和硅基光电子技术
集成电光调制器（EOM）在现代光电子系统中发挥着重要的作用，可实现高速数据传输、波形生成和量子光操纵。然而，要在带宽、驱动电压、光功率处理和低损耗等多个指标上实现高性能，在传统的集成光电子技术平台上已被证明具有挑战性。本文探讨铌酸锂薄膜（TFLN）与硅基和氮化硅光电子技术的混合集成，使高性能 EOM 能够无缝集成到现有光电子电路中。
硅基光电子技术已成为一种可扩展、低成本的集成光电子技术，但其本地调制器却存在局限性。硅调制器无法实现带宽超过 50-60 GHz 的高对比度调制，而且会出现幅相耦合（啁啾）效应。低压硅微谐振器调制器无法在不产生非线性损伤的情况下处理超过几毫瓦的光功率。此外，硅调制器不能在波长低于 1 μm 的情况下工作。另一方面，氮化硅和其他短波长光电子平台也没有表现出高带宽和低电压性能。要克服这些限制，就需要集成具有强大电光特性的材料，如铌酸锂。加州大学圣迭戈分校 Mookherjea 研究小组开发的混合集成方法是将铌酸锂薄膜（TFLN）粘合到硅或氮化硅光电子电路上。最重要的是，铌酸锂层没有被蚀刻，从而保持了其出色的电光特性。光以混合模式引导，分布在 TFLN 区域和底层硅或氮化硅波导之间。通过改变波导宽度，可控地将光推入或拉入 TFLN 区域，从而实现高效的电光调制。在键合 TFLN 区域之外，可以使用工艺设计套件 （PDK） 中的标准硅或氮化物元件来实现紧凑型弯管、耦合器和其他器件。这种方法充分利用了硅基光电子技术的可扩展性和成熟性，同时集成了 TFLN 的高性能电光功能。制造工艺包括在代工厂构建硅或氮化硅光电子特征，然后采用低温直接键合工艺在所需区域加入 TFLN 层。然后形成行波电极，以实现高速调制。图 1a 显示了不同层的横截面，而图 1b 则说明了带有混合 TFLN 区域和氮化硅波导的典型马赫-泽恩德调制器结构。图案化电极结构可确保在较大的调制带宽内实现高效的射频-光学模式指数匹配。图 1c 是采用混合 TFLN/氮化硅调制器的微芯片的照片。
图 1. （a） 各层横截面（未按比例）。（b） 推挽式马赫-泽恩德电光调制器的示意图，该调制器具有氮化硅波导和铌酸锂薄膜（TFLN）混合区，采用图案化电极在宽调制带宽内实现射频-光学模式指数匹配。（c） 带有 TFLN/氮化硅（SiN）混合调制器的微芯片照片。混合 TFLN 集成方法已在多个波长带演示了高性能 EOM，包括 1.3 μm、1.55 μm（传统光纤通信波长）和 780 nm。这些调制器的 3 dB 调制带宽超过 100 GHz，在 1.3 μm 和 1.55 μm 波长下的半波电压 （Vπ） 约为 2-3 V，在 780 nm 波长下为 1 V。在 1550 nm 波长处，这些高射频 （RF） 可以调制出超过 100 mW 的光功率。我们设计了铝（Al）和金（Au）电极，前者可以埋在粘合层下以提高性能。这些高性能集成 EOM 在带宽和驱动电压方面超越了传统的硅基光电子调制器，从而实现了更高的数据传输速率、更高的效率和更好的模拟链路性能。在硅调制器无法工作的较短波长上，这些器件可以产生高带宽波形，适用于传感、光谱学和量子光学应用。除了经典光电子应用之外，混合 TFLN 集成方法还推动了光量子技术的发展。在最近的一项工作中，开发了一种单片硅基光电子微芯片，以提高 1550 纳米波长室温光子对生成的纯度。这种微芯片在用于泵浦脉冲准备的混合 TFLN/硅基光电子 EOM 和用于双光子生成的高效参量非线性的高 Q 硅微谐振器之间实现了无缝波导互连。通过精确控制双光子产生过程的联合频谱，首次在集成微芯片上实现了近乎最佳的纯度，而无需从锁模激光器外部产生短泵浦脉冲。铌酸锂薄膜和硅基光电子技术的混合集成已成为将高性能电光调制器集成到可扩展光电子电路中的有力方法。通过利用这两种平台的优势，该技术实现了经典光电子技术和光量子技术的进步，推进了在广泛应用中实现更高效、更强大的集成光电子系统。
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