高速铌酸锂电光调制器研究进展_陆锦东 (1).pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（）通信作者：余华 ：和 技术专题 ：高速铌酸锂电光调制器研究进展陆锦东，匡作鑫，陈伟，余华（重庆大学 光电工程学院 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 ）摘要：薄膜铌酸锂调制器因其小尺寸、高带宽、低半波电压等优点，成为近年来业内关注的热点。文章梳理了铌酸锂电光调制器的波导结构、电极结构及偏置点控制技术三个方面的相关研究进展，分析了平面掩埋、脊型、光子晶体等三种不同结构波导的调制器性能，讨论了铌酸锂调制器集总和行波两种电极结构的特点及其设计考量因素，对比了电光调制器偏置点控制中功率法和导频法的优缺点及其相关研究成果。在此基础上，进一步分析了为实现更小体积与更高带宽铌酸锂调制器所需的关键技术以及未来的研究方向。关键词：铌酸锂；电光调制器；光子晶体波导；行波电极；偏置点控制中图分类号：文章编号：（），（，）：，：；引言光通信系统的每一次升级，都有赖于新技术的引入。当前主流的 网络系统下，相干光通信技术和波分复用技术已被大量应用，随着流量的继续快速攀升，骨干网向 系统升级，而光子集成技术的引入，有望实现后续高速度大容量的数据传输。高速通信系统的关键技术之一就是信号的高速电光调制，目前用于电光调制的方法有很多，如载流子等离子体色散的硅基调制器、电吸收调制器，以及电光效应调制器等。其中，电光效应可在极宽的光谱上提供高速的折射率调制，而不引入额外 半导体光电 年 月第 卷第期陆锦东 等：高速铌酸锂电光调制器研究进展的损耗，因此可制作性能更为优异的调制器。最常见的电光材料是铌酸锂（，），其具有高电光系数和高二阶非线性光学系数，已被广泛用于光通信领域。传统块状铌酸锂制作的电光调制器，在光子集成电路的发展中，存在着一些技术上的局限性：其一体积大，无法满足器件微纳化的发展需求；其二性能难提升，无法适应大容量通信网络的快速发展。近几年，取得突破的绝缘体上的薄膜铌酸锂（，）为实现光子集成提供了新平台，其使用硅、石英等材料作为隔离层，相比于块状铌酸锂，具备高折射率对比度，能将光限制在 薄膜中，实现低损耗高速电光调制；其次，薄膜材料更易刻蚀脊波导、光子晶体等结构，使得调制器整体性能参数都能得到提升，可促进未来光子集成电路和光子互连的发展。本文针对铌酸锂电光调制器的波导结构、电极结构及偏置点控制技术三个方面，综述了近年来一些研究团队在提高铌酸锂电光调制器性能方面的研究进展。铌酸锂调制器基本原理铌酸锂调制器主要分为相位调制器和强度调制器，相位调制器由简单的一条直波导及其两侧电极构成，强度调制器主要结构有马赫曾德尔（）型和定向耦合型。在高速通信系统中，高速率、低半波电压和高带宽的 型调制器使用最为广泛，如图为典型的铌酸锂相位调制器结构示意图。图铌酸锂相位调制器当施加外部电压，通过铌酸锂波导的光，因其折射率变化导致出射光束相对于入射光束会产生一个相移，可表示为（）式中，（）称作半波电压，它是相位移为时的外加电压，它取决于材料的性质（折射率和电光系数）和波长，以及电极距离与波导长度的比值。半波电压及调制效率都是衡量调制器性能的重要参量，此外，根据应用场景的不同还应衡量 调制带宽、插入损耗等参数。型强度调制器是由两个相位调制器相干实现的，其典型结构如图所示，包括分束器、合波器、两个平行调制臂和三个驱动电极。输入光经过分束器成为光强相等的两路，分别在上下两臂中进行传输，在电场作用下两臂产生大小相等、方向相反的相位变化，最后经过输出端的合波器相干耦合实现强度调制。图型强度调制器铌酸锂调制器波导结构的研究现状平面掩埋型光波导铌酸锂调制器从 年铌酸锂调制器开始商业化，到目前成熟商用的铌酸锂电光调制器均为传统的铌酸锂晶片，通过在铌酸锂晶体上钛扩散或质子交换改变材料折射率，形成近似高斯分布的光波导，波导结构在材料平面以下，称为掩埋型光波导。此类波导和铌酸锂材料的折射率差较小，波导对光的约束性较弱，因此为避免其金属吸收，会增大调制器的电极间隔，这导致传统块状铌酸锂调制器存在调制效率偏低、器件尺寸过大等问题。目前商用块状铌酸锂调制器长度约为 、调制效率约为 、调制带宽约为 ，因此国内外公司都在不断研究与创新，以实现铌酸锂调制器性能的突破。脊型光波导铌酸锂调制器相较于平面掩埋型光波导，脊型光波导折射率差更大，对光的约束性更强，在制作过程中能更精准地控制波导尺寸，是更为优异的光波导结构。近年随着 公司实现了高质量 晶圆片的量产，促进了国内外各团队在光子学领域开展脊波导铌酸锂调制器的基础研究和应用。年，哈佛大学的 等人采用先进的纳米制造工艺，在 平台上集成了跑道型调制器、环型调制器、调制器等器件，如图所示。调制器长度可缩短至，实现了 的调制效率，可由低电压 芯片直接驱动。同年，该课题组通过优化侧壁刻蚀粗糙度和行波电极结构，将调制带宽扩展到 ，同时具有小于 的超低片上光学损耗。这项工作证实了 平台的一些优势与先进性，带动了对 调制器的研究热潮。图 平台上制造的器件电镜图。（）跑道型、环形调制器；（）调制器为了进一步将硅基材料成本低、延展性好的优点与铌酸锂材料良好的调制性能相结合，年，中山大学蔡鑫伦团队通过在硅基芯片上集成铌酸锂薄膜材料，设计了一种混合型铌酸锂波导，如图所示。该器件使用上层铌酸锂波导完成相位调制，实现了大于 的调制带宽和约为 的调制效率；下层硅波导完成光的输入输出，波导间采用垂直绝热耦合器进行光功率的高效传输，实现了低于 插入损耗，并具有高线性度、高集成度等优异特性，成功实现了高达 的开关键控调制和 的幅度调制。图 混合波导调制器。（）整体结构示意图；（）混合波导管横截面示意图；（）波导横截面的 图像；（）金属电极和光波导的 图像 年，清华大学罗毅团队提出了一种二氧化硅铌酸锂混合波导结构，实现了只有 电极间距的薄膜铌酸锂调制器，如图所示。该器件采用石英衬底代替硅衬底实现速度匹配，制备了长调制区域的调制器，在 半波电压下，达到了 带宽。同年，等人在氮化硅加载的 平台上设计了一种 干涉仪型调制器，如图所示，该调制器既充分利用了铌酸锂优异的电光效应，又避免了对 的直接刻蚀。该器件的调制效率为 ，消光比为 ，实验测试结果显示，其 调制带宽为 ，开关键控调制速率可达 。图宽电极间距的 波导与窄电极间距的 混合波导图 混合波导 调制器为了进一步增强光电耦合作用，提高调制效率，中科院半导体研究所的 等人利用布拉格光栅波导作为移相器引入了慢光结构，如图所示。该混合光栅型 调制器，利用慢光效应提高了调制效率，其数值达到了 。新加坡国立大学的 等人尝试不同切向的铌酸锂材料设计了一种基于垂直电场结构的切铌酸锂薄膜 调制器，如图所示。该器件通过将金属电极放置在波导的顶部和底部，实现了电场和光场的完全重叠，降低了切 器件对电极排列的临界要求，证明了切铌酸锂薄膜调制器的可行性，拓展了集成铌酸锂薄膜光学的发展方向。年 月，日本 公司宣布实现超 的 调制器的商业化，进一步证实了薄膜铌酸锂调制器芯片的可靠性和小型化。年，浙江大学刘柳团队在 平台上实现了 的集成可见光调制器，该器件具有的调制长度、的插入损耗、约的半波电压和超过 的 调制带宽。该研究证明了薄膜铌酸锂用于可见光调制器的可行性，半导体光电 年 月第 卷第期陆锦东 等：高速铌酸锂电光调制器研究进展进一步拓展了 的应用范围，为未来在可见光波长下实现高速、低功耗和小尺寸集成奠定了基础。图基于光栅波导的慢光 调制器。（）整体结构示意图；（）布拉格光栅的电镜图；（）混合波导模拟 光模场分布图基于垂直电极结构的 调制器。（）整体结构示意图；（）模拟电场分布光子晶体铌酸锂调制器随着纳米级器件加工技术的快速发展，有望实现大规模的光子集成电路，目前光子链路中的激光器、探测器芯片尺寸已达到微米级，铌酸锂调制器需与其尺寸匹配，学者们为此已经探索了多种结构，如等离子体结构 、狭缝介质波导、光子晶体线缺陷波导 、光子微纳米谐振腔 等。其中，光子晶体可在亚波长范围内控光，且在光电相互作用方面具有较大优势，近十年，光子晶体电光器件已经在硅、族化合物半导体（磷化铟，等）、聚合物等材料平台上得到发展，主要是因为这些材料的波导制备技术较成熟。如今，随着光子晶体制备技术的发展，将 平台与微米量级的光子晶体波导结合起来制作出具有高性能的调制器，成为铌酸锂调制器新的探索方向。年，在 会议上 等人提出基于光子晶体的 调制器，首次对其光子带隙进行了表征。近年来随着铌酸锂材料的发展，铌酸锂光子晶体调制器逐渐受到国内外学者的关注，利用光子晶体的光子局域特性，在缺陷模频率内的场被完全局域在缺陷内，可形成高值的微谐振腔。年，等人利用铌酸锂光子晶体腔结构实现了电光调制，采用块状铌酸锂材料质子交换方式设计了一个 长的二维光子晶体腔。该结构可调谐性为，驱动功率 ，为低驱动功率的微纳尺度可调谐光子器件开辟了一条道路。年，等人在 上采用一维光子晶体纳米光束谐振腔结构制作高速电光调制器，如图所示，器件的调谐效率高达 ，调制带宽为 ，电光模式体积仅为，在薄膜铌酸锂平台成功实现了波长尺度级的微型器件。年，等人提出无刻蚀 上的光子晶体纳米束腔，如图 所示，基于连续介质中的光子束缚态原理研制了易于加工的器件，其值超过 ，器件长度约为 。该方案无需刻蚀铌酸锂，加工难度大大降低。图基于 平台的光子晶体谐振腔调制器（）整体结构示意图（）横截面示意图（）调制器显微镜图像图 无刻蚀 上的光子晶体调制器型光子晶体调制器因其需要使用光子晶体构造出 型分束器、合波器、弯曲波导等结构，相比于谐振腔型更加复杂。年，等人研究了基于 全光子晶体的 电光调制器，器件长度为 ，调制带宽高达 ，驱动电压低至。但该结构仅进行了仿真设计，并 没有考虑铌酸锂刻蚀工艺实现的可能性，其中光子晶体空气孔间隙过小，容易导致结构坍塌，所以实际很难完成加工。此外，利用光子晶体的微纳空气孔结构，可以缩小电极间距，实现高带宽的调制器。年，等人提出了一种新型填充金属的光子晶体的铌酸锂薄膜调制器，增大了电光重叠积分，仿真设计的 长 的 器 件 可 以 实 现 的 半 波 电 压 和 以上的带宽。针对光子晶体铌酸锂调制器这一方向，本课题组也做了一些相关的实验研究，利用平面波展开法对四种铌酸锂阿基米德晶格进行了结构建模和带隙分析，如图（）所示，提出了一种基于铌酸锂二维光子晶体的高传输效率的光波导结构，通过调整和优化线缺陷结构，将弯曲波导的传输效率提升到 以上。针对铌酸锂材料难以刻蚀的特点，课题组前期已对铌酸锂光子晶体的不同晶格类型和晶胞大小进行刻蚀实验，图（）为部分结构的电镜图。显而易见，光子晶体 型调制器仿真实验的性能比谐振腔型更优异，但因其制备工艺更加复杂，目前还没有相关文章报道实际测试数据。近年来由于电子束曝光（）、聚焦离子束（）等设备的出现，为光子晶体 调制器制备提供了可能性。总之，如表所示，近年来薄膜铌酸锂调制器的性能不断提高，尺寸不断缩小，以满足未来集成化、小型化高速光通信系统的需求。（）不同光子晶体结构带隙扫描图（）铌酸锂光子晶体电镜图图 铌酸锂二维光子晶体表薄膜铌酸锂调制器的性能对比参考文献材料结构调制区长度半波电压调制效率（）调制带宽 薄膜 脊波导 薄膜 脊波导 薄膜 脊波导 薄膜 脊波导 薄膜 脊波导光栅 薄膜 薄膜 薄膜 注：该值为电光模式体积；论文数据为仿真实验结果铌酸锂调制器电极结构研究现状根据需求的不同，铌酸锂调制器电极放置分为两种：一是电极置于波导的上方，须在电极与波导之间增加缓冲层，以避免较大的光损耗。如图（）所示，电场垂直光波导调制 单模光，需使用切的 晶 体，可配共面波 导（电 极 都 在 晶 体 表面）或微带（一个表面电极和底部接地电极）的电极结构；二是电极置于波导的两侧，如图（）所示，电场平行光波导调制 单模光，需使用切或切的 晶体，只能配共面波导的电极结构。此外，结构和共面波导型传输线相结合可以形成差分电极，实现推挽机制来提高调制器的性能。由此可见，共面波导（，）结构在铌酸锂调制器中较为常用。铌酸锂 调制器通常有两种类型的电极结 半