稳定的硅光子电路需要基于磁光石榴石的单片集成光学隔离器。然而，通过常规炉退火结晶石榴石会使整个芯片暴露在高温下，从而降低硅波导和金属电极的质量。在此，我们通过使用真空中的局域激光退火，在硅基马赫-曾德尔干涉仪内直接结晶由离子束溅射沉积（无需种子层）的铈取代钇铁石榴石（Ce:YIG）来避免这种退化。915 nm光束仅加热限制在微米级沟槽中的石榴石区域，使周围电路和电极保持完好。该器件在1540 nm波长处实现了13.6 dB的隔离比，对应法拉第旋转0.092°/μm，插入损耗20.4 dB，传播损耗9.5 dB。透射电子显微镜显示结晶的Ce:YIG以及与Si波导界面处约10 nm的边界区域。这些结果表明，热敏硅光子器件和需要高温处理的磁光薄膜可以通过与大规模生产兼容的高吞吐量技术进行集成。关键词：退火、石榴石薄膜、激光、磁光器件、单片集成、溅射沉积468寸PLZTOI薄膜晶圆--180pm/V电光系数高SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675um，1万欧双高阻做探测器和量子器件GEOI晶圆--做探测器和中远红外波导，SMARTCUT工艺InGaPOI晶圆：2阶和3阶非线性器件--mbeALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺--紫外波导器件
TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，离子束溅射镀膜工艺，吸收小损耗低
SINOI晶圆--超低损耗LPCVD+annealing氮化硅薄膜晶圆，210nm-300nm-400nm-800nm
SICOI晶圆；新型光量子波导平台减薄抛光工艺500nm-700nm-1um
8寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶300600
6寸X切Z切掺镁薄膜铌酸锂晶圆 ，厚膜 3um 5um 和 薄膜 100-600nm
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文章名：Monolithic Magneto-Optical Mach–Zehnder Isolator Using Laser-Annealed Iron Garnet on a Silicon Waveguide作者：Tomoya Sugita1, Reona Motoji1, Yuki Yoshihara1, Dan Maeda1, Hiroki Yamamoto1, Hibiki Miyashita2, Kazushi Ishiyama2, Member, IEEE, and Taichi Goto2, Member, IEEE1Kyocera Corporation, 3-7-1 Minatomirai, Nishi, Yokohama, Kanagawa, 220-0021, Japan.2Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University, 2-1-1, Katahira, Aoba, Sendai, Miyagi, 980-8577, Japan.硅基光子集成电路（PICs）因其低功耗和高通信速度而如今被广泛部署，特别是在数据中心光互连中[1]。共封装光学（CPO）[2]将光学引擎与电子IC集成在单个封装中，是一个代表性例子。对于稳定的器件运行，需要单片磁光（MO）隔离器，但由于具有大MO效应和低光学损耗的MO石榴石薄膜需要高温处理，其集成一直具有挑战性[3]。在首次使用带有YIG种子层的多晶铈取代钇铁石榴石（Ce:YIG）基于硅环形谐振器的单片MO隔离器演示之后[4]，随着新型制备技术的发展，许多改进的MO隔离器已被报道[3,5,6]。例如，Du等人[7]在Si波导之前形成MO石榴石以防止波导退化，展示了优异的隔离器。Shoji等人[8]将外延生长在石榴石衬底上的单晶Ce:YIG薄膜键合到Si波导上，实现了优于多晶薄膜的隔离器性能。Goto等人发现Ce:YIG的真空退火可实现无种子层制备[9]，展示了与Si波导兼容的工艺和结构简单的隔离器[10]。最近，Zhang[11]、Sugita[12]和Kim[13]领导的独立小组报道了将马赫-曾德尔干涉仪与多晶石榴石结合的隔离器，通过优化沉积条件实现了高性能，同时保持了更适合大规模生产的简单结构。然而，所有这些方法都将整个样品芯片暴露在超过约600 °C的温度下——无论是在沉积期间加热[14-17]还是之后的炉退火[18]——因此Si波导的退化是不可避免的，并且仍然是性能损耗的主要来源[19]。此外，CPO中使用的铝和铜电极在这种温度下进一步阻碍了集成。与这种全局加热相比，激光退火长期以来被用于结晶石榴石薄膜[20,21]以局部修改其磁性能[22,23]。因此，在本工作中，我们使用真空激光退火[24]对无种子层Ce:YIG进行局部加热和结晶，实现了单片马赫-曾德尔隔离器。与早期方法的全局加热相比，这种局部退火将热量限制在石榴石区域[25-27]，并保护了Si波导和金属电极。我们制备了基于非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）的波导MO隔离器。由多模干涉（MMI）耦合器分成两等份的光在长度不同的两个MZI臂中获得相位差，并在第二个MMI耦合器处重新组合。两臂承载等长度的MO材料，产生非互易相移。产生互易相移的臂长差为15 μm。波导截面为180 nm × 550 nm，电路通过常规硅光子工艺在绝缘体上硅（SOI）平台上构建（附录A）。MO材料Ce:YIG通过沟槽窗口集成到Si波导中。在包层中打开沟槽以暴露Si波导顶部，然后沉积Ce:YIG以填充窗口并覆盖波导，形成MO部分。沟槽形成和Ce:YIG沉积分别在附录B和附录C中描述。制备了MO沟槽长度为50、100和200 μm的样品芯片以研究沟槽长度依赖性。图1(c)显示了最终的AMZI电路，整体工艺流程在附录A中描述。沉积的Ce:YIG通过真空中的局部激光退火结晶。图1(a)显示了激光退火装置，设备列于附录A中。来自波长915 ± 15 nm的二极管激光器的光束（最大输出120 W）被整形为700 µm方形，并通过抗反射涂层窗口照射到芯片上。腔室被抽真空至80 Pa以下，并在退火期间保持该压力。700 µm方形光束仅覆盖AMZI及其沟槽，电极区域位于照射区域之外，因此周围电路和电极未被加热。与光束同轴对准的温度计监测衬底温度，调节激光输出以将衬底保持在750 °C。图1(b)显示了退火后的芯片，图1(c)是图1(b)中标记区域的放大视图。约700 µm方形的照射区域变为黄绿色，表明光学性质与沉积态区域不同。退火后，芯片被切割以暴露波导端面进行评估。图1. (a) 激光光斑退火系统示意图。(b) 选择性退火芯片的显微镜图像。(c) 选择性退火区域（图1(b)中红色虚线标记）的放大显微镜图像。黑色平行四边形为MO沟槽，AMZI电路以白色虚线突出显示。图2. 沟槽长度为100 μm的MO隔离器在正向（红色）和反向（蓝色）方向上的透射光谱，拟合光谱以虚线显示。灰色和黑色曲线分别为参考Si波导和无场结果。图3. (a) 沟槽和Si波导的截面TEM图像，(b) Si波导上方Ce:YIG层的高分辨率TEM图像，(c) 放大到Ce:YIG/Si波导界面的截面明场TEM图像，以及(d)–(h) Ce、Y、Fe、O和Si的EDS能谱图。通过将透镜光纤耦合到输入端和输出端来测量制备样品芯片的透射，使用横磁（TM）偏振的可调谐激光器，波长从1520 nm扫描到1610 nm。样品芯片保持在25 °C。使用SmCo磁体沿面内方向施加高于Ce:YIG饱和场的外场，通过固定样品芯片反转磁体方向获得反向响应，避免交换光纤带来的对准误差。完整装置和程序见附录D。图2显示了制备的沟槽长度为100 μm的MO隔离器在正向和反向方向上的透射光谱。（反向传播对应于反射回光源的返回光。）隔离比为13.6 dB（波长1540 nm处），取自正向-反向差值，插入损耗为20.4 dB。无外加磁场器件的透射和参考Si波导的透射也一并绘制，显示传播损耗为9.5 dB。法拉第旋转（FR）为0.092°/μm，由正向-反向峰分离4.5 nm、无MO加载的AMZI自由光谱范围（FSR）44 nm和沟槽长度100 μm推导得出（从这些量推导FR值的方法见参考文献[12]）。由于退火区域和薄膜质量的差异，该FR值大于先前报道的激光退火Ce:YIG的0.01°/μm[24]。在该样品中，FR评估所需的Ce:YIG区域为100 μm × 20 μm，而激光光斑为700 µm方形，足以几乎均匀地退火整个区域。然而，在先前工作中，评估区域直径为5 mm，激光光斑仅为60 µm，因此区域未完全结晶且保持不均匀，表明激光退火中激光强度均匀性的重要性。获得的FR值0.092°/μm在其他方法制备的Ce:YIG报道值范围内：0.021[11]、0.057[28]、0.060[29]和0.113[30]°/μm。分析了光学损耗的起源，大部分损耗源于额外的沟槽制备。归因于沟槽工艺、AMZI形成和Ce:YIG加载的损耗分别估计为66%、7%和27%（附录E）。图3(a)为沟槽中MO部分的截面透射电子显微镜（TEM）图像。Ce:YIG层厚度195 nm，波导高度180 nm，宽度550 nm。图3(b)为MO区域的高分辨率TEM图像。可见的原子层和由晶面间距d = 0.273 nm（接近报道值0.278 nm[18]）识别的(420)石榴石晶面证实了Ce:YIG的结晶。图3(c)为Ce:YIG/Si波导界面的放大明场TEM图像，(d)–(h)为Ce、Y、Fe、O和Si的能量色散X射线光谱（EDS）能谱图。组成比Ce:Y:Fe:O为1:2:5:(12−δ)，其中δ是未测量的氧缺位，接近报道值[18]。在5 nm界面区域内，Ce偏析而Y和Fe缺失。O和Si能谱图中出现覆盖波导的约5 nm厚SiO2界面层，归因于原生氧化物。因此，除了约10 nm厚的Ce/Fe/Y/SiO2边界区域外，激光退火在Si波导上形成了均匀的石榴石。损耗分析（附录E）将约70%的传播损耗归因于沟槽工艺。值得注意的是，将MO区域划分为微米级沟槽防止了激光退火大于1 mm²区域时出现的开裂[24]。TEM结果揭示了硅光子电路上的高质量Ce:YIG晶体，但在Ce:YIG与Si波导之间观察到约10 nm的界面层。因此，降低传播损耗和增强MO性能需要通过更高的刻蚀选择性更精确地暴露波导顶部并抑制对Si波导的损伤来改进Si加工工艺，以及通过氧分压降低石榴石中的Ce⁴⁺并优化激光退火条件来改性Ce:YIG。图4. 激光退火MO光学隔离器的制备工艺流程示意图。(a) 带有SiO₂包层的硅PIC，(b) 光刻胶涂覆，(c) 通过ICP-RIE刻蚀沟槽，(d) 通过RF-IBS沉积Ce:YIG，(e) 选择性激光退火，(f) 工艺完成。图5. 光学隔离测量系统示意图。通过交换SmCo磁体方向切换外场。我们通过使用真空中的局部激光退火在硅PIC内结晶无种子层Ce:YIG，展示了单片MO马赫-曾德尔隔离器。915 nm光束仅加热石榴石区域，与炉退火的全局加热不同，保护了Si波导和金属电极。该器件在1540 nm处显示隔离比13.6 dB，插入损耗20.4 dB，传播损耗9.5 dB，TEM确认了结晶的Ce:YIG及其与Si波导的界面。这里展示的工艺加速了MO器件向PIC中的集成，并为更先进CPO的发展做出了贡献。硅PIC通过商用硅光子工艺在SOI晶圆上制备，同一芯片上带有约4.9 mm长的直参考波导。芯片在后处理前从晶圆切割成20 mm方形。图4显示了整体工艺：(a) 覆盖5 μm SiO₂包层的硅PIC，采用类似于参考文献[12]中描述的工艺制备，(b) 光刻胶涂覆，(c) 通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE，附录B）刻蚀沟槽，(d) 通过射频离子束溅射（RF-IBS，附录C）沉积Ce:YIG，(e) 选择性激光退火，(f) 工艺完成。光学隔离测量和插入损耗分析分别在附录D和附录E中描述。激光退火使用二极管激光器（AMADA Weldtech，ML-5120A）和发射单元（AMADA Weldtech，FOCH-30B）。腔室安装在XY平台上，发射单元安装在Z平台上，辐照位置和焦点通过同轴可见激光和CCD相机设定。腔室通过旋片泵抽真空至80 Pa以下，衬底温度通过与激光同轴的热传感器监测。G线正性光刻胶（Tokyo Ohka，OFPR800LB-200cp）以2000 rpm旋涂20 s（Actes，ASC 4000）。光刻胶厚度为3.5 μm。使用无掩模对准曝光机（Heidelberg Instruments，MLA150）曝光100 μm × 20 μm的平行四边形沟槽，短轴倾斜45°以抑制不必要的端面反射引起的光学损耗。也制备了沟槽长度为50 μm、100 μm和200 μm的样品。光刻胶通过浸入2.38%四甲基氢氧化铵（TMAH）中显影3分钟，并用去离子水冲洗。使用CE-300I工具（Ulvac）和CF₄及CHF₃气体进行ICP-RIE，暴露Si波导顶部表面并形成沟槽。Ce:YIG通过RF-IBS使用RM17-0010系统（RMTec）沉积在整个芯片上。本底压力为5×10⁻⁵ Pa，工作压力为2.0×10⁻² Pa。沉积期间衬底以4.3 rpm旋转。作为工艺气体，Ar以10 sccm和14 sccm分别引入离子枪和中和器。O₂以8 sccm引入腔室。使用烧结的4英寸Ce₁Y₂.₅Fe₅Oₓ靶材，沉积速率4.15 nm/min，薄膜厚度约200 nm。图5显示了测量装置。可调谐激光器（Agilent，8164B）为光源，输入功率10 dBm。输出端放置预设为TM检测方向的偏振器和红外相机，输入光纤绕光轴旋转以将输入光与TM偏振对齐。样品芯片固定在真空吸盘台上，通过珀尔帖控制器（OHM，OCE-TCR24300WL）保持在25 °C。输出光纤通过3 dB耦合器连接到功率计（Optotest，OP735），另一分支由功率计（ThorLabs，BRM100）监测。波长以0.1 nm分辨率从1520 nm扫描到1610 nm。30 mm × 16 mm × 5 mm的SmCo磁体布置为夹持样品芯片和台。静磁模拟预测相对磁体中心磁场为250 mT（高于Ce:YIG的饱和场），磁场传感器（KANETEC，TM-801）确认样品芯片位置为220 mT。相对于传播方向向左施加的场定义为正，相反为负。通过保持样品芯片取向固定并反转磁体方向来测量反向透射。图6显示了参考Si波导、参考AMZI和无外场MO AMZI的透射。无场MO AMZI结果与图2(a)中的黑色曲线相同。参考AMZI制备在同一芯片上，没有额外的沟槽加工。图6插图显示了具有附加沟槽的Si波导的传播特性与沟槽长度的关系，沟槽长度为0、20、50、100、300和500 μm，线性拟合斜率为−2.4×10⁻³ dB/μm。参考Si波导的传播损耗为0.91 dB。相对于该参考，具有100 μm沟槽的MO AMZI的总传播损耗9.5 dB分解为：AMZI形成（0.64 dB，7%）、沟槽工艺（6.3 dB，66%，包括沟槽端面损耗6.1 dB和沟槽底部损耗约0.24 dB）和Ce:YIG加载（2.6 dB，27%）。这些贡献由图6中的标记(i)–(iv)指示，分别对应参考Si波导(i)、AMZI形成(ii)、沟槽工艺(iii)和Ce:YIG加载(iv)。图6. 参考Si波导、参考AMZI和无场MO AMZI的光学透射光谱。插图显示了具有沟槽的Si波导的光学传播特性与沟槽长度的关系。红线为线性拟合。 
