【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱“上海微系統(tǒng)所”)歐欣研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg教授團(tuán)隊(duì)和德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Christian Koos教授團(tuán)隊(duì)，圍繞薄膜鉭酸鋰(LiTaO3，LT)與氮化硅(Si3N4)光子芯片的晶圓級(jí)異質(zhì)集成開(kāi)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(tái)?；谠撈脚_(tái)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高效、高速電光調(diào)制：調(diào)制效率達(dá)4.08 V·cm，電光響應(yīng)3dB 帶寬約為100 GHz；并進(jìn)一步完成高速通信演示：強(qiáng)度調(diào)制(IMDD)下凈信號(hào)傳輸速率達(dá)333 Gbit/s，相干IQ調(diào)制凈信號(hào)傳輸速率達(dá)581 Gbit/s。該工作為現(xiàn)有氮化硅光子平臺(tái)補(bǔ)齊了長(zhǎng)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(hào)處理的片上光學(xué)系統(tǒng)提供了可大規(guī)?；男鹿に嚶肪€。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(guó)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(qiáng)非線性、高功率耐受性及CMOS 兼容等優(yōu)勢(shì)，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(tái)。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(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)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(lái)構(gòu)建相應(yīng)的片上光學(xué)器件。目前主流電光平臺(tái)包括薄膜鈮酸鋰(TFLN)和薄膜鉭酸鋰(TFLT)。過(guò)去常見(jiàn)的選擇是薄膜鈮酸鋰(TFLN)，而薄膜鉭酸鋰(TFLT)在近年來(lái)備受關(guān)注：這是因?yàn)樵诒Ａ粝喈?dāng)電光系數(shù)的同時(shí)，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(shì)。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(lái)了更完整的光學(xué)級(jí)基底供應(yīng)鏈，進(jìn)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(shì)與薄膜鉭酸鋰的高速電光效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)、可重復(fù)、大批量的制造，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。
 

　　研究亮點(diǎn)：
 

　　依托研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(shí)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(gè)主要寫場(chǎng)中，大規(guī)模轉(zhuǎn)移的鉭酸鋰薄膜完整率接近 100%。通過(guò)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?tīng)栒{(diào)制器(MZM，圖2a)。從SEM觀察到的異質(zhì)波導(dǎo)橫截面及對(duì)應(yīng)的有限元仿真可見(jiàn)，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(chǎng)-光場(chǎng)重疊。器件測(cè)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(shí)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(diǎn)。對(duì)于多通道信號(hào)傳輸、光計(jì)算等系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，DC 偏置漂移會(huì)導(dǎo)致直接引起輸出功率波動(dòng)，進(jìn)而增加控制開(kāi)銷并影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(tuán)隊(duì)監(jiān)視了該調(diào)制器在正交相位工作點(diǎn)的輸出強(qiáng)度，結(jié)果顯示一小時(shí)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(guò)程中引入的光折變效應(yīng)，從而帶來(lái)更好的器件穩(wěn)定性。
 

　　在高速信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用PAM4 信號(hào)編碼在 144–200 GBd 范圍對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行測(cè)試，并基于 GMI/NGMI 評(píng)估可實(shí)現(xiàn)的凈數(shù)據(jù)傳輸速率，其中192 GBd PAM4 對(duì)應(yīng)凈速率最高 333 Gbit/s。進(jìn)一步地，該異質(zhì)平臺(tái)也支持相干IQ調(diào)制，對(duì)應(yīng)的相干光調(diào)制器由兩條MZM 組成，通過(guò)熱光移相器獲得可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的90° 相位差，并利用兩個(gè)調(diào)制通道完成QPSK/16QAM等信號(hào)格式的傳輸演示，最終可實(shí)現(xiàn)的最高凈速率達(dá)到 581 Gbit/s。上述指標(biāo)刷新了同類平臺(tái)的最高信號(hào)傳輸速率記錄。
 

　　作者信息：
 

　　中國(guó)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(guó)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。