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摘要

先进的光子集成电路需要在芯片上大规模集成高速电光 (EO) 功能元件。

因此，低功耗和高运行速度是几乎所有集成电光器件的关键指标。本文，我们展示了一种基于 SiO2/Si 衬底上的锆钛酸铅 (PZT) 的环形谐振腔调制器。采用脊形波导使 PZT 层内的光场和电场保持较大的空间重叠。该器件的数据速率为 56 Gbit/s，调谐效率高达 35.8 pm/V，相当于 1.17 V⋅cm。节能高速电光调制的演示为实现高密度 PZT 光子集成电路铺平了道路。

LN:电光系数小

BTO:电光系数大，波导损耗高

一、引言

随着5G/B5G、人工智能、云计算和物联网的快速发展，全球数据流量呈指数级增长。1,2 光互连是突破数据中心和高性能计算机传输瓶颈的有前景的选择。在光互连中，电光 (EO) 调制器是至关重要的组件，它充当从电域到光域的信息编码引擎，确保高速数据传输。3 目前研究最深入的两种类型的电光调制器是：马赫-曾德尔干涉仪 (MZI) 调制器和环形谐振腔调制器。4–7 与 MZI 相比，环形调制器的优势在于其体积小、驱动电压低，并且能够将其作为集总射频元件驱动，从而无需行波设计。此外，

它们的波长选择性使得微米级密集波分复用链路成为可能，从而大幅提升了总链路带宽。8–10

到目前为止，环形调制器已经通过使用多种材料平台实现，例如硅 (Si)、电光聚合物和晶体。11–13 依赖于自由载流子等离子体效应的硅调制器的最新进展令人关注，它提供了一种实现超高速数据传输的现实方法，通过在掺杂配置、损耗控制和自由载流子寿命之间进行精细平衡来实现。14 受益于强普克尔斯效应且电光系数 r33 > 100 pm/V 的电光聚合物可以实现出色的线性调制和低功耗。15 然而，有机材料的热稳定性和化学稳定性仍有待验证。 “绝缘体上电光铁电薄膜”近年来已成为下一代高速光互连器件的新候选材料。7,16–18 在该平台中，亚微米厚的铁电薄膜（也具有普克尔斯效应）被键合在低折射率二氧化硅基底上，并通过干法刻蚀铁电薄膜来构建波导。该平台实现了光子器件与高速电子电路的集成，同时实现了强模式限制以及光信号和电信号之间的有效重叠。19 铌酸锂 (LN) 或钛酸钡 (BTO) 薄膜环形调制器已被证明是在集成光子学中实现强电光调制的有效途径。例如，LN 环形调制器 13 已实现 40 Gbit/s 的高速率和 2.2 V⋅cm 的低 VπL，BTO 跑道谐振腔调制器 20 也已实现 40 Gbit/s 的速率和 0.45 V⋅cm 的低 VπL。然而，由于电光可调性相对较低或传播损耗较大，这些环形结构仍然不理想。由于电光系数相对较低（30 pm/V），LN 环形调制器的电光可调性（定义为 ∆λi/∆V，其中 ∆λi 为谐振峰位移，V 为施加的直流电压）小于 10 pm/V。21,22

尽管 BTO 具有较高的电光系数，但高达 ∼10 dB/cm 的波导传播损耗仍然是一个主要问题。20,23 此外，LN 和 BTO 薄膜的复杂键合制造工艺也存在其他问题。锆钛酸铅PbZrxTi1−xO3 (PZT) 薄膜是另一种很有前景的电光调制器候选材料，因为它具有许多理想的特性，例如高电光系数、优异的光学透明度以及简单的化学溶液沉积 (CSD) 制造工艺。24 氮化硅 (SiN) 环形调制器上的 PZT 薄膜已实现数据速率高达 40 Gbit/s，传播损耗低至 1 dB/cm。17 尽管取得了这些进展，但为了广泛应用 PZT 调制器，一些特性仍需进一步改进。这些特性包括：VπL 为 3.2 V⋅cm，器件内电光系数相对较低（60 pm/V），以及在 40 Gbit/s 调制速率下估计消光比仅为 ∼1 dB。最近，我们探索了“绝缘体上压电陶瓷 (PZT) 铁电薄膜 (PZTOI)”，并通过传统光刻和电感耦合等离子体 (ICP) 刻蚀技术实现了低传播损耗波导。25 结果表明，PZTOI 在波长 1550 nm 处获得的电光系数约为 100 pm/V，从而降低了 VπL，提高了高速调制质量。此外，PZT 和 SiO2 之间的折射率对比度约为 1.0。如此大的对比度有助于减小弯曲半径，从而可以实现紧凑的环形谐振器和更密集的光子电路布局。本工作中，我们在 PZTOI 平台上实现了高调谐效率和高速环形调制器。PZT 薄膜采用化学溶液法在 SiO2/Si 衬底上制备。该薄膜可直接沉积在衬底上，质量高，成本低。该设计结构不仅将光模式严格限制在PZT波导芯内，而且有效缩短了电极间间隙。所制备的器件可用于各种实现了较高的电光效应，电光系数达到了创纪录的100 pm/V。环形调制器的电光可调性为∆λi/∆V= 35.8 pm/V，对应VπL = 1.17 V⋅cm。调制器的高速测试表明，其开关键控(OOK)调制速率高达56 Gbit/s，消光比约为3.1 dB。

二、器件设计与制作

图 1. (a) 脊形 PZT 波导环形调制器的顶视图和脊形 PZT 波导的横截面。(b) 脊形 PZT 波导示意图。基模 TE 光模式以假彩色绘制。颤动图显示了铝电极之间施加的电场分布。(c) 环形调制器的电光重叠因子仿真。(d) 环形调制器的调谐效率仿真。(e) 传播损耗仿真。红色矩形框表示本研究中使用的近似参数

环形调制器的结构如图 1(a) 和 1(b) 所示，其中波导由 SiO2 包层、PZT 层、铝 (Al) 共面电极和 Si 衬底组成。SiO2 和 PZT 在 1.55 μm 波长处的折射率分别为 1.45 和 2.40。顶部和底部 SiO2 包层的厚度分别约为 1.0 μm 和 2.0 μm。对于单模工作，PZT 脊的总厚度为 350 nm，肋宽为 1.0 μm。为了优化器件性能，我们仔细确定了蚀刻深度 (de) 和电极间间隙 (ginter)。图 1(b) 显示了器件中模拟的光学 TE 模场和直流电场分布，表明光场和直流电场之间存在较大的重叠。与之前基于 PZT 平台的环形调制器 17 相比，可以在 SiO2/Si 衬底上制备更厚的 PZT 薄膜，并且脊形波导可以在 PZT 层内分配更多的光。80.9% 的光场分布在 PZT 层中，7.1% 分布在衬底中，12% 分布在顶部包层中。因此，可以实现更高的调谐效率和较高的消光比。

电光可调性∆λi/∆V = Δnpzt ⋅ L/ΔV（L 为电极长度，281 μm）归因于 PZT 折射率变化 (∆npzt)，该变化对应于环形谐振器的器件内电光响应。5,17 理论上预期的 ∆npzt 可以表示为

其中，npzt 为 PZT 折射率，r 为 PZT 器件内电光系数（估计为 130 pm/V²⁻²），V 为电压，Γ 为电光重叠因子，ε0 为真空介电常数，c 为真空光速。Exe 为电场平面内（x 方向）分量，Exop 为光场平面内（x 方向）横向分量。根据公式 (1)，窄间隙电极有利于实现较高的 ∆λi/∆V。此外，如图 1(c) 所示，为了尽可能地将光模式集中在有源 PZT 纤芯中（重叠因子更高），优选较浅的刻蚀深度（较小的 de）。同时，由于对光模式的限制有限，较小的 de 必然会导致窄间隙共面电极的吸收损耗 αabs 较高。环形谐振器的Q值由波导损耗决定。器件的3dB调制带宽(f3dB)由谐振腔谐振时间和光子寿命决定，表达式为1/(f3dB)2 = (2πτ)2 + (2πRC)2，其中τ = λQ/(2πc)为腔光子寿命（c为真空中的光速），R为电极接触电阻，C为器件电容。由于PZT薄膜充当绝缘体，因此RC时间极小，高频响应主要受限于在环形谐振器内积累和释放能量所需的腔光子寿命。为了获得更宽的带宽，低Q值的环形调制器是有利的。然而，过低的Q值可能会导致消光比不佳，从而影响高速调制信号的质量。因此，为了获得合适的Q值，必须仔细控制损耗。图1(d)和1(e)分别绘制了计算出的调谐效率∆λi/∆V和损耗αabs随de和ginter变化的关系。在de为100–350 nm和ginter为2.0–5.0 μm的范围内，∆λi/∆V和αabs之间存在明显的权衡关系。考虑到这种权衡关系，我们选择蚀刻深度de = 150 nm和电极间隙ginter = 3.5 μm，以将αabs最小化至2.2 dB/cm（包括电极吸收和波导损耗），并实现高达46.8 pm/V的∆λi/∆V。根据上述设计，PZT 环形调制器制备如下：首先，通过化学溶液沉积法在硅片（来自 JuheEO[26]）上 2 μm 厚的二氧化硅层上制备 PZT 薄膜。然后，利用电子束光刻和剥离法制备金属（Ti+Ni）掩模，定义微环图案。采用 SF6 + Ar+ 等离子铣削法刻蚀 PZT 层，形成环形谐振器。用 RCA（NH4OH、H2O2、H2O 按体积比 1:1:5 混合）去除金属掩模后，通过电子束蒸发和剥离法沉积共面 Al 电极。最后，旋涂溶胶-凝胶 SiO2 顶层覆层，并在 150 ℃ 的加热板上烘烤 120 分钟。

PZT薄膜已在管内以600℃的温度退火。因此，150℃的处理温度对器件没有影响。图1(a)展示了所制备调制器的扫描电子显微镜(SEM，Zeiss Gemini500)图像。

为了在PZT薄膜中诱导强电光效应，在室温下在器件上施加15 V/μm的直流电场来极化环形调制器。17

III. 结果与讨论

图 2. (a) PZT 环形调制器的归一化透射光谱。(b) 不同直流电压下的透射光谱。(c) 谐振波长随电压的变化

采用端面耦合系统测量环形谐振器的透射光谱。来自可调谐激光器(TSL-510，Santec)的光通过保偏光纤耦合到波导中。位于激光器和光纤之间的偏振器用于将输入光控制为TE偏振。波导的输出光由另一根光纤收集，然后通过光电探测器（MPM240H，Santec）检测。将数字源表（2410，Keithley）产生的-2至10 V直流偏置电压加载到调制器上，进行∆λi/∆V测试。图2(a)显示了通过扫描可调谐激光器的波长测得的环形谐振器的透射光谱。测量结果显示，谐振器的Q因子约为8000，消光深度约为13 dB。∆λi/∆V是通过测量图2(b)中一个谐振峰处的光谱偏移来确定的。基于测量点，利用洛伦兹函数拟合高分辨率光谱。从光谱变化可以看出，消光比变化小于0.2 dB，Q因子几乎保持不变。谐振波长偏移与电压的关系如图 2(c) 所示，通过线性回归计算得出 ∆λi/∆V 为 0.0358 nm/V。由此估算，半波电压长度积为 VπL= ∣LλFSRV/(2Δλi)∣ = 1.17 V⋅cm，其中 L 为 281 μm，λFSR 为 3 nm。

基于 ∆λi/∆V，我们计算出 PZT 环形调制器中的器件内电光系数为 100 pm/V。17

采用图 3(a) 所示的装置对调制器的高速调制性能进行表征。输入激光器固定在一个谐振波长。使用带有不归零电信号的任意波形发生器 (AWG) (N4975A，Keysight) 和驱动放大器 (83051A，Keysight) 驱动该器件。

峰峰值驱动电压 Vp-p 为 3.0 V。调制光经过掺铒光纤放大器 (EDFA) 和带通滤波器 (BPF) 后，使用 45 GHz 光带宽的光采样示波器 (N1092，Keysight) 进行测量。

图 3(b) 展示了 32 和 56 Gbit/s 的测得光眼图，眼图开口清晰。这些眼图的消光比分别为 ∼5.8 和 ∼3.1 dB。计算带宽为24.9 GHz，可通过采用失谐波长法提高带宽。27 调制速度受限于AWG（25 GHz带宽），而非PZT环形调制器本身。

如上所述，本文展示的基于PZTOI平台的环形调制器可实现高调谐效率和高速度。PZT薄膜可采用化学溶液法在SiO2/Si衬底上制备，制备工艺可扩展性强且成本低廉。同时，PZT薄膜具有较大的电光系数和较宽的透明窗口。近年来，研究人员发现铌酸锂等铁电薄膜由于其较强的普克尔斯效应，是制作高速调制器的优良材料。因此，当需要更高性能的器件时，电光系数较大的PZT薄膜逐渐被应用于调制器中。未来，PZT 薄膜还可以扩展到石英基板上，或与 SOI（绝缘体上硅）基板异质集成。因此，PZT 光子学平台有望为电信或其他领域提供新一代紧凑、高速、高带宽的有源器件（参见补充材料注释 1）。

四、结论

总而言之，我们在“PZTOI”平台上展示了一种高效、高速、纳米光子电光环形调制器。PZT 薄膜采用化学溶液沉积法沉积在 SiO2/Si 基底上。脊形 PZT 波导实现了强大的电光重叠，具有 35.8 pm/V 的超高调谐效率，对应于 1.17 V⋅cm 的 VπL。同时，该器件呈现出 56 Gbit/s 的清晰眼图。总之，这些结果表明这些器件非常适合片上应用。虽然我们在本研究中仅演示了 C 波段操作，但该平台也可应用于可见光波长范围。30,31 我们相信，“绝缘体上电光铁电薄膜”中电光调制性能的显著提升将带来超高速光通信的范式转变。

1 Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang Province, China

2Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, School of Engineering,Westlake University, Hangzhou 310024, Zhejiang Province, China

3Institute of Advanced Technology, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou 310024, Zhejiang Province, China

4Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou 310024,Zhejiang Province, China

5Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China

6School of Electrical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon 34141, Republic of Korea

7Juhe Electro-optic (Hangzhou) Tech. Co., Ltd., Hangzhou 310024, Zhejiang Province, China