摘要——薄膜钽酸锂（LiTaO₃）光子集成电路最近已被证明是一种有前景的下一代电光平台，与铌酸锂相比，具有包括减少的直流漂移、更高的光功率处理能力和更低的双折射在内的有利特性。然而，迄今报道的高速LiTaO₃调制器主要依赖于硅衬底，其大介电常数（ε_r ≈ 11.7）损害了微波速度匹配并引入了限制可实现电光带宽的RF导体损耗。在此，我们实施了一种硅衬底底切技术，以悬空绝缘体上钽酸锂（LTOI）Mach-Zehnder调制器（MZM）的电极区域，有效地将行波电极与高介电常数硅手柄晶圆解耦，从而降低了微波损耗。此外，底切消除了对氧化物-硅界面寄生表面电导（PSC）引起损耗的任何敏感性。所制备的MZM实现了110 GHz的3 dB电光带宽，对于8毫米长的器件，半波电压为5.1 V（V_πL = 4 V·cm）。利用扩展的带宽，我们使用PAM8信号演示了460 Gbit/s的高单路强度调制直接检测（IMDD）净数据速率。这些结果确立了硅衬底底切作为一种有效且工艺兼容的途径，以释放钽酸锂在其原生硅基晶圆平台上的全部电光潜力。SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675umALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺
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文章名：Broadband suspended lithium tantalate Mach–Zehnder modulator achieving a 460 Gbit/s net data rate作者：Zihan Li,1,2, ∗ Alexander Kotz,3,∗ Adrian Schwarzenberger,3 Christian Koos,3 and Tobias J. Kippenberg1,2,†1.Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland 2.Institute of Electrical and Micro Engineering (IEM), EPFL, CH-1015 Lausanne, Switzerland 3.Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131 Karlsruhe, Germany人工智能工作负载和超大规模数据中心部署的爆炸性增长正在推动对从短距离（数据中心内部）到长距离（数据中心之间）的所有尺度上的光互连的迫切需求，要求高数据速率和更低的能耗[1]。基于薄膜铁电材料（如铌酸锂（LiNbO₃）和钽酸锂（LiTaO₃））的光子集成电路电光调制器已引起广泛关注，因为它们同时具有大的电光系数、低驱动电压和宽调制带宽，非常适合单路速率超过400 Gbit/s的应用[2, 3]。这使得该平台在利用复杂调制格式的相干通信（用于长距离光通信）方面尤其有前景。同样，它最近也被考虑用于线性驱动可插拔光学（LPO）[4, 5]。最近，低损耗钽酸锂光子集成电路已被证明是一种替代铁电材料平台[6, 7]。绝缘体上钽酸锂（LTOI）如今已在射频前端表面声波（SAW）滤波器中实现商业部署，因此受益于规模经济，即由大批量应用驱动的低成本衬底，而绝缘体上铌酸锂（LNOI）则并非如此。从材料角度来看，与LiNbO₃相比，LiTaO₃调制器表现出改善的直流偏置稳定性[8–10]，更高的光功率耐受性（已演示高达1.17 W的调制器）[8]，以及显著较低的双折射（在1550 nm处δn = 0.004，而LiNbO₃为δn = 0.074），简化了复杂光子电路（如阵列波导光栅（AWG）[11]——波分复用元件的关键构建模块）的设计，同时也使宽带电光频率梳成为可能[12]。此外，该平台已与铜大马士革工艺相结合，实现了与电子驱动集成电路（IC）的直接铜-铜键合[8]。在硅衬底上，LiNbO₃调制器已展示超过110 GHz的电光带宽[7]；然而，硅的高相对介电常数（ε_r ≈ 11.7）引入了微波有效折射率与光学群折射率之间的固有失配。在这些条件下实现同时的阻抗和速度匹配迫使采用窄信号导体几何结构，这反过来增加了RF导体损耗[13]，并将实际电极长度限制在约6 mm左右，产生相对较大的约4.8 V的半波电压[7]。已经探索了几种策略来克服介电衬底瓶颈。用低介电常数材料（如熔融石英[14]）替代硅载体消除了速度匹配约束，并允许更宽的电极几何结构，从而显著降低微波衰减并延长相互作用长度。另一种避免全晶圆键合复杂性的替代路线是通过衬底底切工艺选择性去除电极区域下方的硅[15]。这种方法保留了标准的LTOI起始晶圆和晶圆级兼容加工，同时有效地将行波电极悬空在空气中——在探针接触焊盘之间具有最低的介电常数和最低的介电损耗。悬空薄膜将RF模式与硅手柄晶圆解耦，使得能够以更宽的电极几何结构实现速度匹配，并显著降低微波损耗。在此，我们对LTOI Mach-Zehnder调制器（MZM）实施了硅底切工艺，并证明了悬空电极架构为具有8毫米长调制段的器件提供了电光带宽的显著改善。我们进一步通过强度调制直接检测（IMDD）信号实验验证了高速性能，在LiNbO₃平台上实现了460 Gbit/s的净数据速率。我们的结果表明，硅底切为高性能LTOI调制器提供了一种可访问的、晶圆兼容的路径，无需专用的低介电常数衬底。所制备的器件，如图1(a)所示，由两个8毫米长的悬空电光移相器与1×2多模干涉（MMI）耦合器组合而成，构成推挽式Mach-Zehnder调制器。悬空LTOI MZM构建在商用4英寸X-cut LTOI晶圆（NANOLN）上，该晶圆包含600纳米厚的LiTaO₃单晶薄膜、4.7微米厚的SiO₂埋氧层和525微米厚的高电阻率硅衬底。与需要厚二氧化硅绝缘层[16]或全二氧化硅衬底[14]的方法相比，此处采用的硅底切策略选择性地仅去除电极区域下方的硅，保留了芯片的机械完整性，同时消除了行波共面波导（CPW）的介电负载。光波导采用深紫外（DUV）步进光刻进行图案化，随后使用类金刚石碳硬掩模进行氩离子束刻蚀，刻蚀深度为400纳米，剩余平板层厚度为200纳米，与已建立的LTOI制备工艺一致[6, 17]。调制器臂覆盖有通过电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP CVD）沉积的1.5微米厚二氧化硅层[18]。行波金电极（15纳米Ti / 800纳米Au）随后通过DUV光刻、干法刻蚀、金属蒸发和剥离进行定义，遵循与我们先前LTOI器件相同的工艺流程[6]。硅底切作为电极后处理步骤进行，如图1(b)所示。首先，通过紫外（UV）光刻在电容加载CPW之间定义通孔图案（图1(d)）。然后，使用Bosch深反应离子刻蚀工艺，通过二氧化硅各向异性刻蚀深度（L_c）为80微米的沟槽进入硅衬底。为了优化硅底切宽度以实现适当的速度匹配，通过硅深刻蚀和背面研磨将芯片从晶圆上分离以进行单独处理[19]。由于芯片分离工艺和倒锥形边缘耦合器，实现了典型的−5.2 dB光纤到光纤耦合损耗。随后，各向同性硅刻蚀通过通孔选择性地去除电极区域下方的硅，留下被二氧化硅包围的LiTaO₃光子层和悬空在空气腔上方的Au电极（图1(c)）。底切宽度W_c在每个芯片上经过实验优化，以实现微波和光信号之间的相位匹配。悬空薄膜沿调制器的整个8毫米调制段延伸。为了保持脆弱的悬空调制臂的机械鲁棒性，T形底切段仅应用于接地电极，而信号电极下方的二氧化硅层在硅底切后保持连续。此外，结合各向异性和各向同性硅刻蚀减少了残余硅中微波场的比例，使得能够以较小的横向底切范围实现相位匹配，从而提高了机械稳定性。考虑制备公差、阻抗匹配和相位匹配，CPW设计参数选择为（W_sig, P, G, L_S, W_S, L_T, W_T）=（70, 35, 6, 20, 1.5, 33, 1.5）微米（图1(e)）。空气间隙上方的电极横截面与低介电常数衬底上的调制器非常相似，大大放宽了限制非悬空硅设计的阻抗匹配和导体宽度之间的权衡。所制备的悬空MZM的调制效率通过半波电压-长度乘积（V_πL）进行量化。将峰峰幅度为20 V的低频锯齿波电压波形施加到调制器电极上，同时使用光电探测器（DET08CFC）和示波器（Rohde & Schwarz RTA4004）记录归一化光学透射率。半波电压通过对测量的电光响应曲线进行拟合来提取。如图2(a)总结所示，8毫米长的悬空MZM在1550 nm载波波长下表现出5.1 V的半波电压，对应于4 V·cm的V_πL乘积。通过测量V_πL作为调制频率从10 mHz到10 kHz的函数来验证器件的直流偏置稳定性，在这四个数量级的范围内未观察到可察觉的漂移，这与LiTaO₃平台相比LiNbO₃平台具有改善的直流稳定特性一致[20]。悬空MZM的高频电学和电光行为使用矢量网络分析仪（VNA；ME7838AX，Anritsu Corporation）进行表征，工作频率范围为70 kHz至125 GHz，采用110 GHz接地-信号-接地（GSG）射频探针（T110A-GSG0100，MPI Corporation）。在商用衬底（AC2-2，MPI Corporation）上进行双端口短路-开路-负载-直通（SOLT）校准，以将测量参考平面设置在探针尖端。图1：通过硅衬底底切制备的悬空薄膜钽酸锂Mach-Zehnder调制器。(a) 所制备芯片的光学显微图像，显示8毫米长的调制器电极区域。(b) 示意横截面工艺流程，说明四个关键制备阶段：1. 在Si上具有Au电极和SiO₂包层的起始LTOI MZM；2. 通孔光刻以定义释放孔；3. 通过通孔的深SiO₂和Si干法刻蚀；4. 各向同性Si释放以悬空调制区域，形成包含LiTaO₃波导、SiO₂包层和Au电极的独立薄膜。硅释放后调制区域的横截面(c)和俯视图(d)扫描电镜（SEM）图像证实了电极堆叠的成功悬空。接地电极下方的底切腔清晰可见。(e) 建模的悬空CPW几何结构，显示T形接地电极段和关键设计参数（W_sig, P, G, L_S, W_S, L_T, W_T）。图2(d)显示了悬空CPW的电S参数。在整个测量频率范围内，反射系数S₁₁保持在−20 dB以下，表明与50Ω源具有良好的阻抗匹配。传输系数S₂₁表现出逐渐滚降，在120 GHz时达到−4.3 dB。在图2(e)中，微波衰减相对于频率的平方根绘制，呈现近线性趋势，证实了导体（趋肤深度）损耗是主要的耗散机制[21]。提取的有效微波相位折射率与LiTaO₃波导在1550 nm处的仿真光学群折射率非常一致，证实了高频区域的速度匹配（图2(d)）。为了测量电光频率响应，将1550 nm的光载波耦合到调制器中。器件由VNA的第一个端口驱动，而第二个端口连接到高速光电二极管，该二极管检测调制的光信号。CPW的输出端口通过第二个RF探针端接50Ω电阻以抑制背向反射。使用探针和光电二极管各自制造商提供的频率响应，应用去嵌入以将测量参考平面移动到输入探针尖端和MZM的光输出端。所得的电光响应如图2(f)所示，归一化到1 GHz时的值。平滑曲线给出110 GHz的3 dB带宽。与先前报道的具有可比有源长度的非悬空硅衬底上的LTOI调制器相比[7]，底切架构提供了显著的带宽改善，证明了选择性衬底去除是减轻高介电常数硅载体引起的速度失配和导体损耗惩罚以及硅中潜在寄生表面电导损耗的有效策略[22]。为了评估悬空绝缘体上钽酸锂MZM的系统级性能，我们使用图3(a)所示的配置进行高速强度调制直接检测（IMDD）信号传输实验。工作在1550 nm的外腔二极管激光器（ECDL）提供输出功率为17.8 dBm的光载波。使用光纤偏振控制器（FPC）将偏振对准LiTaO₃波导的准横电模式，并使用透镜光纤进行芯片到光纤的耦合。电驱动信号由以256 GSa/s采样率运行的高速任意波形发生器（AWG；M8199B，Keysight Technologies Inc.）生成，通过RF电缆和宽带放大器（Amp.；AH15199B，Anritsu Corporation）路由，并通过110 GHz RF探针施加到CPW。具有四、六和八个电平的脉冲幅度调制（PAM）波形从模式长度超过2¹⁷位的伪随机比特序列生成，使用离线Tx-DSP，其中包括滚降因子β = 0.05的根升余弦脉冲成形、基于线性最小均方误差均衡的预失真（以补偿不包括LTOI MZM的发射机频率响应），以及将信号限幅至峰均功率比为9 dB。输出CPW通过第二个110 GHz RF探针和宽带偏置器端接50Ω电阻，该偏置器同时设置调制器的正交工作点。接收的光信号在高速光电二极管（PD；Fraunhofer HHI）直接检测后，由以256 GSa/s采样率和104 GHz模拟带宽运行的实时示波器（RTO；UXR 1004A，Keysight Technologies Inc.）进行数字化。接收端离线DSP包括重采样到每符号两个样本、定时恢复、Sato均衡和额外的基于最小均方的自适应均衡。图2：悬空LiTaO₃ Mach-Zehnder调制器的调制性能表征。(a) 在1550 nm载波波长下，归一化光学透射率作为施加电压的函数，在100 Hz下使用锯齿波测量。从拟合曲线中提取半波电压V_π = 5.1 V。(b) V_πL和(c) 归一化EO响应作为调制频率从10 mHz到10 kHz的函数，证实了直流偏置稳定性，在四个频率数量级内漂移可忽略。(d) 悬空行波CPW在高达120 GHz范围内的电S参数（S₁₁，橙色；S₂₁，蓝色）。(e) CPW的计算微波衰减（蓝色）和有效微波相位折射率（橙色）作为频率平方根的函数。微波有效折射率与仿真的光学群折射率（虚线）非常匹配，证实了高频区域的速度匹配。(f) 悬空MZM的测量EO响应，归一化到1 GHz时的值。显示了原始数据（浅灰色）和平滑拟合（蓝色）。实现了110 GHz的3 dB带宽。信号传输实验在PAM4、PAM6和PAM8的符号速率从144 GBd到208 GBd范围内进行。测量的BER曲线作为符号速率的函数如图3(b)所示，同时给出了常见前向纠错（FEC）的参考阈值线，即KP4、具有7%开销的硬判决FEC（7% HD）[23]，以及具有15%（15% SD）和25%（25% SD）开销的软判决FEC[24]。PAM8在高达188 GBd时BER保持在25% SD-FEC限值以下，PAM6在高达192 GBd时，PAM4在高达208 GBd时。对于后者，BER在高达176 GBd时保持在KP4限值以下。可达到的信息速率（AIR）通过广义互信息（GMI）在加性高斯白噪声信道模型假设下计算[25]，净数据速率（NDR）通过从归一化GMI中选择适当的FEC码来导出，遵循文献[26, 表2]。结果如图3(c)所示。PAM8在180 GBd时获得最高AIR为485 Gbit/s。PAM8在180 GBd符号速率下使用SD-FEC实现了460 Gbit/s的最大NDR，为钽酸锂调制器平台确立了高单路数据速率，并展示了与最先进薄膜铌酸锂调制器相当的性能[3]。图3：使用悬空绝缘体上钽酸锂Mach-Zehnder调制器的强度调制直接检测（IMDD）信号传输实验。(a) 实验装置。外腔二极管激光器（ECDL）提供光载波，光纤偏振控制器（FPC）调整输入偏振。电驱动信号由发射机数字信号处理（Tx-DSP）合成，并由任意波形发生器（AWG）生成。调制信号由连接到实时示波器（RTO）的高速光电二极管（PD）检测，然后进行离线接收机DSP（Rx-DSP）。待测芯片为悬空LiTaO₃ MZM。(b) 对于PAM4（蓝色）、PAM6（橙色）和PAM8（绿色）信号，测量的误码率（BER）作为符号速率的函数。水平虚线表示25%和15%软判决前向纠错（SD-FEC）阈值、7%硬判决FEC（HD-FEC）阈值以及KP4阈值。带圆圈的标记表示实现最高净数据速率460 Gbit/s的工作点。(c) 对于PAM4（蓝色）、PAM6（橙色）和PAM8（绿色），可达到的信息速率（AIR，虚线）和相应的净数据速率（NDR，实线）作为符号速率的函数。我们已经展示了通过硅衬底底切方法制备悬空薄膜钽酸锂Mach-Zehnder调制器。通过通孔定义的深刻硅刻蚀随后进行各向同性硅释放，选择性去除行波电极下方的高介电常数硅，共面波导（CPW）被有效地悬空在空气中，将微波模式与硅手柄晶圆解耦。与非悬空硅上的传统LTOI器件相比，这显著降低了微波导体损耗，允许更宽的电极几何结构，并放宽了速度匹配的埋氧层厚度约束。所制备的8毫米长悬空Mach-Zehnder调制器（MZM）实现了110 GHz的3 dB电光带宽，半波电压为5.1 V，与可比长度的非悬空LTOI调制器相比有了显著改进。LiTaO₃材料的直流偏置稳定性特性在衬底释放后得以完全保持，这通过V_πL测量得到证实，其调制频率跨度超过四个数量级，没有可察觉的漂移。利用增强的电光带宽，我们使用C波段的PAM8信号在LiTaO₃平台上实现了460 Gbit/s的单路净数据速率，与薄膜铌酸锂调制器报道的最佳结果相当。这些结果证实了硅衬底底切是一种可行的、与工艺兼容的途径，用于实现高性能LiTaO₃电光调制器，而无需将晶圆键合到替代衬底上。该方法与现有的LTOI代工厂工作流程完全兼容，并且能够制造用于下一代相干通信收发器或数据中心内线性驱动可插拔光学器件的电光调制器，以及用于5G/6G光纤无线电的调制器[27]。
