【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所(以下簡稱“上海微系統所”)歐欣研究員團隊聯合瑞士洛桑聯邦理工學院Tobias J. Kippenberg教授團隊和德國卡爾斯魯厄理工學院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集成開展研究，構建出一種兼具低光學損耗和線性電光(Pockels)調制的新型光電平臺。基于該平臺，研究團隊實現了高效、高速電光調制：調制效率達4.08 V·cm，電光響應3dB 帶寬約為100 GHz；并進一步完成高速通信演示：強度調制(IMDD)下凈信號傳輸速率達333 Gbit/s，相干IQ調制凈信號傳輸速率達581 Gbit/s。該工作為現有氮化硅光子平臺補齊了長期缺失的高速電光調制能力，也為面向高速互連、RF 光子與模擬信號處理的片上光學系統提供了可大規模化的新工藝路線。相關成果以“Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications”為題發表在國際學術期刊《自然·通信》(Nature Communications)上，上海微系統所為第一單位。
研究背景：
氮化硅光子芯片兼具低光學傳播損耗、強非線性、高功率耐受性及CMOS 兼容等優勢，已成為片上非線性光學、高效頻率轉換、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，因此現有的氮化硅基調制器通常依賴熱光效應或聲光效應，其在帶寬及調制效率上容易遇到瓶頸。
為滿足當下通信、光計算等應用場景對高效、高速、大帶寬調制的需求，研究者往往需要薄膜鐵電材料來構建相應的片上光學器件。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)在近年來備受關注：這是因為在保留相當電光系數的同時，薄膜鉭酸鋰在高功率器件穩定性、雙折射、光損傷閾值、光折變等方面更具優勢。此外，薄膜鉭酸鋰在 5G/6G 射頻濾波器中的產業化應用帶來了更完整的光學級基底供應鏈，進一步提升了其工程化吸引力。
基于上述背景，如何把氮化硅波導的低損耗優勢與薄膜鉭酸鋰的高速電光效應結合起來，并實現晶圓級、可重復、大批量的制造，成為當前的研究熱點之一。
研究亮點：
依托研究團隊開發的氮化硅光子大馬士革工藝與晶圓鍵合技術，本工作實現了4英寸 LT-on-Si3N4異質晶圓。如圖1b所示，在深紫外光刻(DUV)定義的 9 個主要寫場中，大規模轉移的鉭酸鋰薄膜完整率接近 100%。通過微環型諧振器表征可知，該異質混合波導的光損耗約14.2 dB/m，該值顯著優于同類型集成方案。
本工作中的電光調制器采用由薄膜鉭酸鋰和氮化硅波導組成的馬赫-曾德爾調制器(MZM，圖2a)。從SEM觀察到的異質波導橫截面及對應的有限元仿真可見，該異質混合波導光模能量在LT薄膜中的分布約為48%，表明光學約束良好和有效的電場-光場重疊。器件測試結果顯示其半波電壓為6 V；電光響應S21曲線具有優異的寬帶平坦度，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，該器件所展現的DC偏置穩定性也是本工作的一大亮點。對于多通道信號傳輸、光計算等系統級應用，DC 偏置漂移會導致直接引起輸出功率波動，進而增加控制開銷并影響系統的長期穩定運行。在采用光子芯片封裝以降低耦合漂移干擾的前提下，研究團隊監視了該調制器在正交相位工作點的輸出強度，結果顯示一小時內功率漂移小于 0.5 dB(圖2e)，這得益于異質集成波導結構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，從而帶來更好的器件穩定性。
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 范圍對強度調制器進行測試，并基于 GMI/NGMI 評估可實現的凈數據傳輸速率，其中192 GBd PAM4 對應凈速率最高 333 Gbit/s。進一步地，該異質平臺也支持相干IQ調制，對應的相干光調制器由兩條MZM 組成，通過熱光移相器獲得可長時間穩定的90° 相位差，并利用兩個調制通道完成QPSK/16QAM等信號格式的傳輸演示，最終可實現的最高凈速率達到 581 Gbit/s。上述指標刷新了同類平臺的最高信號傳輸速率記錄。
作者信息：
中國科學院上海微系統所博士研究生蔡佳辰，卡爾斯魯厄理工學院博士生Alexander Kotz和洛桑聯邦理工學院博士后Hugo Larocque為本論文的共同第一作者，中國科學院上海微系統所歐欣研究員，洛桑聯邦理工學院Tobias J. Kippenberg教授和卡爾斯魯厄理工學院Christian Koos教授為本論文的共同論文通訊作者。
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