【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(以下簡稱“上海微系統(tǒng)所”)歐欣研究員團隊聯(lián)合瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg教授團隊和德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Christian Koos教授團隊，圍繞薄膜鉭酸鋰(LiTaO3，LT)與氮化硅(Si3N4)光子芯片的晶圓級異質(zhì)集成開展研究，構(gòu)建出一種兼具低光學(xué)損耗和線性電光(Pockels)調(diào)制的新型光電平臺。基于該平臺，研究團隊實現(xiàn)了高效、高速電光調(diào)制：調(diào)制效率達4.08 V·cm，電光響應(yīng)3dB 帶寬約為100 GHz；并進一步完成高速通信演示：強度調(diào)制(IMDD)下凈信號傳輸速率達333 Gbit/s，相干IQ調(diào)制凈信號傳輸速率達581 Gbit/s。該工作為現(xiàn)有氮化硅光子平臺補齊了長期缺失的高速電光調(diào)制能力，也為面向高速互連、RF 光子與模擬信號處理的片上光學(xué)系統(tǒng)提供了可大規(guī)模化的新工藝路線。相關(guān)成果以“Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通信》(Nature Communications)上，上海微系統(tǒng)所為第一單位。
研究背景：
氮化硅光子芯片兼具低光學(xué)傳播損耗、強非線性、高功率耐受性及CMOS 兼容等優(yōu)勢，已成為片上非線性光學(xué)、高效頻率轉(zhuǎn)換、行波光參量放大等方向的重要平臺。但但受其材料本征限制，氮化硅本身不具備 Pockels 電光效應(yīng)，因此現(xiàn)有的氮化硅基調(diào)制器通常依賴熱光效應(yīng)或聲光效應(yīng)，其在帶寬及調(diào)制效率上容易遇到瓶頸。
為滿足當(dāng)下通信、光計算等應(yīng)用場景對高效、高速、大帶寬調(diào)制的需求，研究者往往需要薄膜鐵電材料來構(gòu)建相應(yīng)的片上光學(xué)器件。目前主流電光平臺包括薄膜鈮酸鋰(TFLN)和薄膜鉭酸鋰(TFLT)。過去常見的選擇是薄膜鈮酸鋰(TFLN)，而薄膜鉭酸鋰(TFLT)在近年來備受關(guān)注：這是因為在保留相當(dāng)電光系數(shù)的同時，薄膜鉭酸鋰在高功率器件穩(wěn)定性、雙折射、光損傷閾值、光折變等方面更具優(yōu)勢。此外，薄膜鉭酸鋰在 5G/6G 射頻濾波器中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用帶來了更完整的光學(xué)級基底供應(yīng)鏈，進一步提升了其工程化吸引力。
基于上述背景，如何把氮化硅波導(dǎo)的低損耗優(yōu)勢與薄膜鉭酸鋰的高速電光效應(yīng)結(jié)合起來，并實現(xiàn)晶圓級、可重復(fù)、大批量的制造，成為當(dāng)前的研究熱點之一。
研究亮點：
依托研究團隊開發(fā)的氮化硅光子大馬士革工藝與晶圓鍵合技術(shù)，本工作實現(xiàn)了4英寸 LT-on-Si3N4異質(zhì)晶圓。如圖1b所示，在深紫外光刻(DUV)定義的 9 個主要寫場中，大規(guī)模轉(zhuǎn)移的鉭酸鋰薄膜完整率接近 100%。通過微環(huán)型諧振器表征可知，該異質(zhì)混合波導(dǎo)的光損耗約14.2 dB/m，該值顯著優(yōu)于同類型集成方案。
本工作中的電光調(diào)制器采用由薄膜鉭酸鋰和氮化硅波導(dǎo)組成的馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM，圖2a)。從SEM觀察到的異質(zhì)波導(dǎo)橫截面及對應(yīng)的有限元仿真可見，該異質(zhì)混合波導(dǎo)光模能量在LT薄膜中的分布約為48%，表明光學(xué)約束良好和有效的電場-光場重疊。器件測試結(jié)果顯示其半波電壓為6 V；電光響應(yīng)S21曲線具有優(yōu)異的寬帶平坦度，3 dB 帶寬接近100 GHz，同時回波損耗小于-15 dB，充分證明了器件良好的速度匹配和阻抗匹配。
此外，該器件所展現(xiàn)的DC偏置穩(wěn)定性也是本工作的一大亮點。對于多通道信號傳輸、光計算等系統(tǒng)級應(yīng)用，DC 偏置漂移會導(dǎo)致直接引起輸出功率波動，進而增加控制開銷并影響系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。在采用光子芯片封裝以降低耦合漂移干擾的前提下，研究團隊監(jiān)視了該調(diào)制器在正交相位工作點的輸出強度，結(jié)果顯示一小時內(nèi)功率漂移小于 0.5 dB(圖2e)，這得益于異質(zhì)集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中未刻蝕的鉭酸鋰薄膜：該策略有助于減弱刻蝕過程中引入的光折變效應(yīng)，從而帶來更好的器件穩(wěn)定性。
在高速信號傳輸實驗中，研究團隊使用PAM4 信號編碼在 144–200 GBd 范圍對強度調(diào)制器進行測試，并基于 GMI/NGMI 評估可實現(xiàn)的凈數(shù)據(jù)傳輸速率，其中192 GBd PAM4 對應(yīng)凈速率最高 333 Gbit/s。進一步地，該異質(zhì)平臺也支持相干IQ調(diào)制，對應(yīng)的相干光調(diào)制器由兩條MZM 組成，通過熱光移相器獲得可長時間穩(wěn)定的90° 相位差，并利用兩個調(diào)制通道完成QPSK/16QAM等信號格式的傳輸演示，最終可實現(xiàn)的最高凈速率達到 581 Gbit/s。上述指標(biāo)刷新了同類平臺的最高信號傳輸速率記錄。
作者信息：
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所博士研究生蔡佳辰，卡爾斯魯厄理工學(xué)院博士生Alexander Kotz和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后Hugo Larocque為本論文的共同第一作者，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所歐欣研究員，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg教授和卡爾斯魯厄理工學(xué)院Christian Koos教授為本論文的共同論文通訊作者。
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