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随着数据中心对计算能力的需求不断增长，平衡数据传输速度和能效已成为一个关键挑战。高带宽、低功耗的互连方案日益被认为是下一代智能计算中心设计的核心需求[1, 2]。对于芯片内和芯片间的短程光互连——通常覆盖几十米或更短的距离——微环共振调制器（MRM）正逐渐成为理想的解决方案。它们的优点，如小型化、低功耗和与大规模集成兼容，使其非常适合通过波分复用（WDM）技术应对高密度和高容量的需求[3, 4]。此外，对于使用强度调制直探测（IMDD）策略的内部数据中心和数据中心间的光互连，马赫−曾德调制器（MZM）发挥着至关重要的作用。它们卓越的线性和宽带响应确保了它们在400 G及以上光模块应用市场的主导地位[5]。

#划重点

#PZTOI晶圆 #PZT电光调制器光刻显影刻蚀流片

#6寸DUVKRF150nm流片

传统上，硅光子学（SiPhs）平台因其优越的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成能力和成本效益而受到重视。然而，硅的中心对称晶体结构缺乏线性的电光（EO）响应。此外，等离子体色散调制的线性差，且与高光损耗相关。掺杂pn结的寄生电容和电阻进一步降低了器件带宽[6]。至于基于薄膜铌酸锂（TFLN）的调制器，它们表现出高电光带宽、良好的线性和低光损耗，但固有的低电光系数（r33 = 30.9 pm/V）限制了驱动电压与器件尺寸的协同优化[7]。在本研究中，我们展示了基于铅锆钛酸盐（Pb(ZrxTi(1-x)O3，PZT）的调制器，具有宽带带宽和高调制效率，得益于高Pockels系数（>100 pm/V）[8]。制造的MZM展示了1.3 V·cm的调制效率，并支持80 Gb/s的开关调制（OOK）速率。MRM表现出41 pm/V的电光调谐性，对应的调制效率为0.56 V·cm，并支持64 Gb/s的OOK调制速率。

图1. PZT调制器的电场分布。

三维电磁场模拟显示了波导中电场强度的分布，如图1所示。该器件制造在一个带有5 μm BOX层和320 nm PZT波导层的硅基板上。通过刻蚀形成一个深度为150 nm、宽度为1 μm、电极厚度为300 nm的肋状波导。

图2. (在线彩色) PZT极化示意图。

在电光测试之前，通过在电极上施加20 V/μm的电压持续10分钟对波导进行极化，之后施加-1 V，持续1分钟以去除表面电荷积累。这个过程重复几次以促进极化[9]，如图2所示。

图3. (在线彩色) MZM和电光测试结果示意图。 (a) MZM示意图。 (b) 调制效率结果（VπL = 1.3 V·cm）。 (c) 测得的70 GHz电光带宽。 (d) PZT MZM的眼图，使用峰峰驱动电压为3 V的OOK调制进行测量。

图3(a)展示了MZM的示意图，采用地信号地（GSG）电极配置进行推拉操作，电极间距为6 μm，器件长度为2 mm。图3(b)展示了传输光功率与施加电压之间的关系。MZM的调制效率为1.3 V·cm。图3(c)显示了S21参数的电光频率响应，表明在测量光谱范围内响应平坦，3 dB带宽超过70 GHz。观察到1至10 GHz之间电光响应的衰减，这可能与基板界面效应有关，需要进一步研究。图3(d)展示了在80 Gb/s下进行OOK调制的MZM眼图，表明调制器的高速性能。

图4.  MRM和电光测试结果示意图。 (a) MRM示意图。 (b) 调制效率结果（VπL = 0.56 V·cm）。 (c) 测得的53 GHz电光带宽。 (d) PZT MRM的眼图，使用峰峰驱动电压为3 V的OOK调制进行测量。

图4(a)中，MRM的环半径为17 μm，电极沿轴向间隔5 μm。图4(b)显示了在正反偏压下经线性极化后的PZT MRM的静态传输光谱。根据传输光谱，可以发现微环的自由谱范围（FSR）为8.86 nm。经过极化过程后，MRM的电光调谐性为41 pm/V。通过公式VπL计算的调制效率为0.56 V·cm。图4(c)显示了调制器在不同工作波长下的电光响应曲线，3 dB电光带宽约为53 GHz。图4(d)展示了MRM在64 Gb/s速率下进行OOK信号调制时的眼图。

作者；Peng Wang1, ‡, Hongyan Yu4, ‡, Yujun Xie1, ‡, Jie Peng1, 2, 3, Chengyang Zhong1, 2, 3, Ang Li1, 2, 3,

Zehao Guan1, 2, 3, Jungan Wang4, Chen Yang4, Yu Han5, Feng Qiu4, †, and Ming Li1, 2, 3, †

1Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

2Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

3School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

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

5Juhe Electro-optic (Hangzhou) Tech. Co. Ltd. Hangzhou 310024, China