摘要——随着光互连带来更高带宽的前景,集成调制器越来越依赖于除硅制造材料以外的材料,特别是依赖于Pockels效应。例如,钽酸锂薄膜与超低损耗硅氮化物光子集成电路的晶圆级键合,为异质集成器件提供了低调制电压、比硅光子学更高速度的操作。然而,尽管钽酸锂具有优异的电光调制能力,但它也存在一些缺点,例如双折射和长期偏置不稳定性。在其他可用的电光材料中,钽酸锂能够克服这些缺点,具有与钽酸锂相当的电光系数、显著改善的光稳定性、低双折射、更高的光学损伤阈值和增强的直流偏置稳定性。在这里,我们展示了钽酸锂薄膜与低损耗硅氮化物光子集成电路的晶圆级异质集成。通过这个混合平台,我们实现了调制器,将硅氮化物波导的超低光损失(约14.2 dB/m)、成熟的加工技术和广泛的透明性与薄膜钽酸锂的超快电光响应相结合。所得设备实现了6 V的半波电压,支持高达100 GHz的调制带宽。我们使用单强度调制器和同相/正交(IQ)调制器传输PAM4和16-QAM信号,分别达到333和581 Gbit/秒的净数据速率。我们的结果表明,钽酸锂是支持扩展光传播的宽带光子学的一种可行方法,能够为射频光子学、互连和模拟信号处理等技术做出独特贡献。#0:10mm-10mmsto衬底-bto薄膜(300nm厚度可定制)
#1:sto外延片
2寸 外延 sto 2-20nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)
#2:a向 bto外延片
2寸 外延 a-向 bto(300nm或者500nm,或者定制)-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)
#3:C向 bto外延片
2寸 外延 c-向 bto(150nm或者300nm,或者定制)-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)
#离子注入铒代工
#6寸DUV步进式光刻代工,最小线宽180nm,超高性价比,可以只曝光
#快速氮化硅硅光铌酸锂流片 #高性价比 #低成本
#提供8寸 8umSiO2热氧片,6寸15um热氧片 10um热氧片 8寸10um热氧片
室温低损伤@GCIB抛光代工@束斑小(4-5mm)更均匀
#降低硬质材料化合物晶圆等绝大多数材料的表面粗糙度,比如金刚石 ,磷化铟,砷化镓,碳化硅
#提高复合衬底和镀膜膜层的器件层膜厚均匀性,
比如SOI LNOI LTOI SICOI 等 SMARTCUT得到的薄膜
或者镀膜所得到的膜层 ,比如镀了一层氮化硅,但是由于是cvd镀膜所得到的,表面的膜厚精度很差,粗糙度很差,可以通过粗糙度初步降低粗糙度,然后通过GCIB团簇离子束抛光来修整整面的膜厚均匀性 到0.5%以下举例:
未经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据:
Range:100-200A
经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据:
Range:60A以内
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
TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆,镀膜工艺
SINOI晶圆--超低损耗氮化硅薄膜晶圆,210nm-300nm-400nm-800nm
SICOI晶圆;新型量子光学平台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
8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
LN/LT-SOI/Si/SIN W2W&D2W异质集成
流片: 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片, 1个BLOCK的价格买一整片晶圆
划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书
我们为客户提供晶圆(硅晶圆,玻璃晶圆,SOI晶圆,GaAs,蓝宝石,碳化硅(导电,非绝缘),Ga2O3,金刚石,GaN(外延片/衬底)),镀膜(PVD,cvd,Ald,PLD)和材料(Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5,Ta2O5,ZrO2,TiN,ALN,ZnO,HfO2。。更多材料),键合(石英石英键合,蓝宝石蓝宝石键合)光刻,高精度掩模版,外延,掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表,为您的科学实验加速。
请联系小编免费获取原文
文章名:Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications作者:Jiachen Cai,1, 2,Alexander Kotz,3, Hugo Larocque,1, Chengli Wang,1, 2,Xinru Ji,1,Junyin Zhang,1,Daniel Drayss,3,Xin Ou,2,Christian Koos,3, and Tobias J. Kippenberg1, 41Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
2State Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
3Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ),Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131 Karlsruhe, Germany
4Institute of Electrical and Micro engineering, Swiss Federal Institute of Technology,Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
I. 引言
光子集成电路(PICs)提供了一种扩展标准化光电技术的独特方法【1,2】。在PIC平台中,基于硅氮化物的器件提供了一系列传统上在光纤中利用的特性,如低传播损耗、大功率处理能力【3】和宽带隙,可实现广泛的光学波长透明性【4-6】。更厚的氮化物波导,例如通过光子“达马森”工艺制造的波导,此外还提供强大的光学束缚和容易实现的异常群速度色散(GVD)【7-10】。这些特性在利用这种材料的光学非线性时变得至关重要【11】。因此,已提出与Kerr频率梳【10-13】、光学频率转换【14,15】、行波光学参量放大器【16,17】和量子信息科学【18-21】相关的实验。进一步将这一平台应用于光学通信和微波光子学等领域【22,23】需要电光调制,而硅氮化物由于其非晶特性,无法直接提供此功能。基于铁电材料的集成电路能够提供这些功能【24-26】,因此可以通过异质集成如钠铌酸锂等材料,将电光调制功能引入硅氮化物电路中【27,28】。钽酸锂等其他铁电材料的改进性能,如较低的双折射和光电折射效应【29-31】鼓励将类似的集成方法应用于其他Pockels材料。钽酸锂基板在5G/6G射频滤波器中的经济规模的改进【32】进一步鼓励了该材料在集成调制器中的应用。本文中,我们开发了一种在硅氮化物PICs上进行钽酸锂晶圆级键合的工艺。在此平台上,我们展示了通过VπL = 4.08 V·cm的调制和接近100 GHz的3-dB带宽,在推挽Mach-Zehnder调制器(MZM)中实现的调制。通过这种方法,我们实现了在脉冲幅度调制(PAM)方案下,净数据传输速率为333 Gbit/s。我们进一步将这一数据传输演示扩展到Si3N4-LiTaO3 IQ调制器,从而通过正交幅度调制(QAM)信号实现净数据传输速率581 Gbit/s。凭借其能够与单片钽酸锂-绝缘体(LTOI)PICs的性能相竞争的性能指标【30,31】, 这些结果表明,Si3N4-LiTaO3器件可以实现结合成熟Si3N4 PICs与下一代铁电薄膜的系统,从而实现低损耗强光束缚并进行GHz速率调制。
II. 结果
混合Si3N4-LiTaO3 PIC制造
图1(a)概述了混合PIC的工艺流程,首先使用光子“达马森”工艺制造Si3N4波导结构【9】。如补充部分1所述,工艺流程从在直径100 mm的硅晶圆上形成预成型开始,使用4 μm厚的湿热氧化层,通过深紫外(DUV)步进光刻、干法刻蚀和高温回流处理。然后,低压化学气相沉积(LPCVD)沉积一层Si3N4,接着进行化学机械抛光(CMP)、氧化物中间层沉积和退火。Si3N4光子达马森工艺避免了在高度拉伸的LPCVD Si3N4薄膜中形成裂纹,并提供了高制造良率和超低光传播损耗O(dB/m)【8】。图案化样品支持宽度为1 μm,高度为0.5 μm的条形波导。此外,逆向纳米锥形波导允许芯片波导与透镜光纤之间高效的边缘耦合。
图1. Si3N4-LiTaO3光子集成电路的晶圆级制造。
(a) 异质集成Si3N4-LiTaO3光子电路制造的主要步骤示意图。
(b) 显示具有高制造良率的100 mm Si3N4-LiTaO3晶圆的照片。
(c) 对于具有2 µm波导宽度和112 GHz自由光谱范围的环形谐振器,外部线宽κex和内在线宽κ0的拟合值。
(d) 对应的拟合κ0直方图。
(e) 具有72 MHz内在线宽的代表性归一化共振。
我们的异质集成方法还涉及通过基于氢的离子切片技术【29,32】制造的100 mm LTOI晶圆。最终形成的晶圆堆叠由300 nm的x-cut钽酸锂薄膜、2 μm的埋氧化物层和525 μm厚的硅基底组成。经过清洗和等离子体激活的表面准备后,Si3N4和LTOI晶圆在常温下进行亲水性预键合,通过范德华力在两个晶圆之间建立初步的键合。随后通过300°C的热退火过程加速硅烷基(Si-OH)基团的聚合,形成接口处的共价键(Si-O-Si),增强了键合强度。键合后,工艺继续通过磨削LiTaO3基体衬底。背面晶圆磨削后,使用四甲基铵氢氧化物(TMAH)湿法刻蚀完全去除衬底的硅层。然后,使用缓冲氟化氢(BHF)溶液去除热氧化层,从而暴露出LiTaO3层并形成良好的混合光学波导。这一过程完全避免了传统上用于LiTaO3纳米制造的等离子体工艺,例如氧基的类金刚石碳硬掩膜刻蚀【33】和氩气干法刻蚀【34】。通过这些措施,我们避免了在Si3N4 PIC晶圆的Si/SiO2接口处引入可能的等离子体诱导电荷,这可能导致寄生的表面导电射频损耗【35】。为了在样品上添加高速共面波导(CPW)和加热电极,使用基于无掩模对准器(Heidelberg Instruments MLA150)的光刻首先定义电极布局。通过热蒸发10 nm钛和800 nm黄金,再通过剥离完成电极的制造。随后,使用氩气离子束刻蚀在LiTaO3薄膜中形成绝热锥形过渡,连接Si3N4波导与混合Si3N4-LiTaO3波导。该工艺还完全去除了光纤芯片面附近的LiTaO3,以提高边缘耦合效率。涂覆包层后,进行附加曝光步骤,并通过氟化氢湿法刻蚀选择性地暴露样品的部分区域,以便将探针连接到制造的电极上。如补充部分2所述,这些包层开口还与CPW射频场和光学波导模式的群速度相匹配。
图1(b)展示了一张最终100 mm混合Si3N4-LiTaO3晶圆的照片,其中清晰的边界线划定了键合LiTaO3薄膜的轮廓。中间的九个步进区域完全被薄膜覆盖,突出了晶圆键合技术在制造一致性和大规模良率方面的优异表现。
为了表征晶圆的混合光子结构的光学特性,使用了频率梳辅助光谱技术【36】,通过三个外腔二极管激光器对制造的混合Si3N4-LiTaO3微环谐振器中的光学波导损耗进行了探测。图1(c,d)展示了环的TE偏振共振的外部损耗(κex)和内在损耗(κ0)。这里,κ0随着光学频率的增加而增加,这与类似结构在LiNbO3-Si3N4异质集成PICs中的表现一致【27,28】。在这些结构中,更高的光学频率导致模式场的减小,由于更强的与高折射率铁电层的重叠,从而引起环中的额外弯曲损耗。在图1(d)所考虑的频率范围内,有限元方法仿真表明,钽酸锂薄膜大约保持了模式能量的48%。图1(e)显示了C波段的典型归一化共振,表明拟合的内在线宽为72 MHz,相应的传播光学损耗为α ≈ 14.2 dB/m。
电光性能
为了在我们的混合集成Si3N4-LiTaO3平台上展示电光能力,我们依靠由6.8 mm长的MZM对组成的电光调制器,这些调制器以推挽配置与高速CPW电极一起工作。图2(a)展示了这种调制器的显微图。补充部分3提供了关于其一些基本组件的传输的仿真数据。CPW设计具有信号到地的间距,考虑了金属引起的光学损失与调制之间的权衡。从图2(b)中的横截面SEM图像和图2(c)中的插图来看,我们的CPW设计通过23 µm的信号电极宽度和6 µm的间隙,平衡了这两个因素,分隔了地和信号电极。补充部分2中的仿真表明,这种配置产生的金属间距引起的传播损耗为0.1 dB/cm,并且具有VπL ∼ 5.5 V·cm的电压长度乘积。如补充信息中进一步讨论的那样,选择的信号宽度还通过改变射频传播损耗和调制器的共传播射频与光场之间的速度失配,影响调制器的基础带宽。
图2. 混合Si3N4-LiTaO3电光调制器
(a) 制作的6.8 mm长混合调制器的光学显微图。插图:调制器基础组件的光学显微图,包括Y型分 splitter、共面波导电极,以及Si3N4波导和Si3N4-LiTaO3波导之间的锥形过渡,模拟插入损耗为0.28 dB。
(b) 制作的Si3N4-LiTaO3调制器横截面的假色扫描电子显微镜(SEM)图像。
(c) 6.8 mm长推挽MZM的标准化传输与施加电压的关系。插图显示了高速电极几何形状,信号宽度为23 µm,电极间隙为6 µm。
(d) 测量的电光响应(电光S21)和微波回波损耗(电气反射S11),显示出接近100 GHz的高3 dB带宽。
我们首先在准直流操作下表征了调制器的电光性能。将1550 nm连续波光耦合到Si3N4-LiTaO3 MZM中,观察到约为5 dB的光纤到芯片耦合损耗。图2(c)显示了应用100 Hz三角电压波通过射频探头时测得的输出功率。这些结果表明,对于6.8 mm长的推挽配置,Vπ = 6 V的半波电压,对应VπL = 4.08 V·cm的电压长度乘积。补充部分4提供的额外数据表明,这一响应在至少1 Hz的调制频率下保持一致,并且在1500 nm至1630 nm的光学波长范围内也表现稳定。如图2(d)所示,使用矢量网络分析仪(VNA)探测调制器的响应,得到了调制器的带宽。结果显示,S21电光响应在25 MHz至110 GHz的频率范围内具有优秀的3 dB平坦度,同时保持S11微波反射低于−15 dB。这些指标达到了与其他电光PIC平台中最先进水平相当的水平【30,37,38】。这凸显了Si3N4-LiTaO3在要求高速电光调制的应用中的显著潜力。
数据传输实验
为了展示我们Si3N4-LiTaO3平台的可行性和性能,我们在高速光数据通信实验中使用了我们的设备,涵盖了强度调制和直接检测(IMDD)以及相干调制方案。图3(a)展示了IMDD实验的设置。在该实验中,工作于C波段的可调外腔激光器(ECL)提供了光载波。接着,通过光纤偏振控制器(FPC)调整输出偏振后,光通过一对透镜光纤耦合到Si3N4-LiTaO3 MZM的准TE模式,该模式的主要电场平行于基板平面。我们通过离线数字信号处理(Tx-DSP)合成的电气PAM4信号驱动MZM,基于伪随机比特序列(PRBS)和根升余弦(RRC)脉冲整形滤波器【30】,并通过高速任意波形发生器(AWG,M8199B,Keysight Technologies Inc.)转换为模拟域。20 cm长的射频电缆通过第一个匹配阻抗的探头以接地信号地配置将驱动信号发送到MZM的共面传输线。第二个探头则通过50 Ω同轴终端终结传输线。Tx-DSP通过实现线性最小均方误差预失真来补偿频率依赖的射频损耗,直至馈电探头的输入。铒掺光纤放大器(EDFA)将MZM的较弱输出信号(-10 dBm)放大至接近10 dBm的功率水平,以便与接收机兼容。接收机包括一个高速光电二极管(PD,Finisar Corp.),直接连接到高速实时示波器(RTO,UXR 1004A,Keysight Technologies Inc.),采样率为256 GSa/s,模拟带宽为105 GHz。EDFA后接一个光带通滤波器(BPF)以抑制带外的放大自发辐射(ASE)噪声,并通过可变光衰减器(VOA,LTB-1,EXFO Inc.)将光功率调整到10 dBm,这是光电二极管接受的最大输入功率。在接收机端,我们使用离线数字信号处理(Rx-DSP)提取并解调PAM4数据。如补充部分5中进一步说明,Rx-DSP套件包括标准算法,如时序恢复、线性Sato均衡和附加的决策导向最小均方误差均衡器。
3. 使用强度调制和直接检测(IMDD)的传输实验
(a) 实验设置。ECL:外腔激光器;FPC:光纤偏振控制器;AWG:任意波形发生器;Tx-DSP:发射器数字信号处理(离线);EDFA:铒掺光纤放大器;BPF:带通滤波器;VOA:可变光衰减器;PD:光电二极管;RTO:高速实时示波器(256 GSa/s,105 GHz);Rx-DSP:接收器数字信号处理(离线)。
(b) PAM4传输的比特误码率(BER)与符号速率的关系,水平虚线表示具有15%和25%编码开销的软决策前向错误校正(15% SD-FEC,25% SD-FEC)和具有7%编码开销的硬决策FEC(7% HD-FEC)的阈值。选择的数据点○A和○B的眼图分别显示在(d)和(e)面板中。
(c) 可实现的信息传输率(AIR,橙色虚线)和相应的净数据速率(NDR,实线棕色)在IMDD测量中的表现,显示在符号速率为192 GBd的PAM4信号下,最高实现的NDR为333 Gbit/s。
(d),(e) 选择的符号速率160 GBd PAM4(d)和200 GBd PAM4(e)下的眼图(左),以及相应的信号幅度直方图(右),显示了重建的信号幅度在对应符号槽中心的分布。
在我们的实验中,我们使用该设置操作设备,在144 GBd到200 GBd之间的不同PAM4符号速率下进行数据传输。图3(b)提供了相应的比特误码率(BER)以及不同前向错误校正(FEC)方案的BER阈值,通过虚线表示。对于符号速率为160 GBd(线路速率320 Gbit/s)及以下,BER低于具有7%编码开销的硬决策FEC(7% HD-FEC)阈值【39】;并且在符号速率高达192 GBd(线路速率384 Gbit/s)时,BER仍低于具有15%编码开销的软决策FEC(SD-FEC)阈值【40,表7.5】。对于200 GBd(线路速率400 Gbit/s),我们发现一个BER值,仍然符合具有25%编码开销的软决策前向错误校正(SD-FEC)【40,表7.5】。图3(d)和图3(e)分别描绘了160 GBd和200 GBd信号的重建眼图,并附上了在符号槽中心采集的直方图。与这些眼图对应的数据点在图3(b)中标记为○A和○B。尽管信号质量显然还有改进空间,但所展示的符号速率和线路速率已经可以与单独的钽酸锂-绝缘体(LTOI)MZM【30】的性能相竞争。
为了量化我们传输系统的信息传输效率,我们通过基于加性白高斯噪声(AWGN)通道模型的接收符号对数似然比(LLRs)从传输信号中推导出广义互信息(GMI)【42】。图3(c)显示了得到的可实现信息速率(AIR),它对应于符号速率和每个符号的GMI的乘积,并提供了系统传输能力的上限。为了估计实际可实现的净数据速率(NDR),我们还需要包括典型FEC编码引入的惩罚。通过将我们实验中估算的归一化GMI(NGMI)与【43】中提供的NGMI阈值进行比较,我们选择了合适的FEC编码,并通过将线路速率与关联的FEC编码速率相乘来评估NDR。符号速率为192 GBd(线路速率384 Gbit/s)时,与15% SD-FEC结合,获得了333 Gbit/s的最高NDR,而此符号速率下的AIR为349 Gbit/s。
除了MZM和IMDD信号传输,我们的Si3N4-LiTaO3平台还支持更先进的系统,如用于相干通信的IQ调制器(IQM)。图4(a)展示了这样的IQM的显微图。该设备由一个输入波导和一个Y型分裂器组成,Y型分裂器后接两个13.5 mm长的MZM,就像图2(a)所示。每个MZM在其最小传输点使用两个110 GHz偏置Tee(BT110R-C,SHF Communication Technologies AG)进行直流偏置。一个基于加热器的相位移器可以产生漂移自由的热光相位移【44】,然后将IQM中同相(I)和正交(Q)臂之间的相对相位设置为90°。随后,像图2(a)中的功率合并器合成带有两个调制正交的输出信号。为了演示设备的可行性,我们使用图4(b)中所示的设置,在符号速率为144 GBd到204 GBd之间传输正交相位键控(QPSK)和16状态正交幅度调制(16QAM)信号。该设置与图3(a)中用于IMDD传输的设置有几个相似之处。这里,两个AWG通道分别驱动IQM的I和Q臂。调制后,经过放大和带通滤波,调制信号进入90°光学混合模块,在这里与第二个ECL提供的连续波局部振荡器干涉,将光信号下变频为四个电气基带信号。随后的平衡光电二极管(BPD,Fraunhofer HHI)检测结果波形。最后,如补充部分5中所述,离线接收器DSP恢复并评估信号。
图4. 用于相干数据传输的混合集成Si3N4-LiTaO3 IQ调制器
(a) 13.5 mm长的Si3N4-LiTaO3 IQ调制器的光学显微图。为更好地显示,波导用红色突出显示。
(b) 用于相干通信实验的设置示意图。AWG:任意波形发生器;Amp.:射频放大器;Tx-DSP:发射器数字信号处理(离线);ECL:外腔激光器;FPC:光纤偏振控制器;EDFA:铒掺光纤放大器;BPF:带通滤波器;TO-PS:热光相位移器;90° OH:90°光学混合器;BPD:平衡光电二极管;RTO:高速实时示波器(256 GSa/s,105 GHz);Rx-DSP:接收器数字信号处理(离线)。
(c) 测量的QPSK(棕色线)和16-QAM(深蓝线)信号的比特误码率(BER)与符号速率的关系,水平虚线表示具有15%和25%编码开销的软决策前向错误校正(15% SD-FEC,25% SD-FEC)和具有7%编码开销的硬决策FEC(7% HD-FEC)的阈值。底部的灰色虚线表示检测极限,低于该限度,由于记录信号的长度限制(2²³个样本),我们的实验无法可靠地测量BER。该限度对应于160 GBd符号速率下QPSK信号在记录期间检测到13个比特错误。所得的BER落在99%的置信区间内,范围从测量BER的一半到两倍【41】。面板(e),(f)和(g)显示了三个选择的数据点○A、○B和○C的星座图。
(d) 可实现的信息传输率(AIR,虚线)和相应的净数据速率(NDR,实线)与符号速率的关系,对于QPSK(棕色线)和16-QAM(深蓝线)信号。
(e)-(g) 分别为符号速率160 GBd(e)和204 GBd(f)下的QPSK信号,以及符号速率176 GBd下的16-QAM信号(g)的星座图。相应的数据点分别用红色虚线圆圈标记,并在面板(c)中标记为A、B和C。
图4(c)显示了测量的BER及不同FEC方案的BER阈值,虚线表示。图4(d)提供了相应的AIR和NDR。对于QPSK信号,我们仅在符号速率为176 GBd及以上的测量中获得了可靠的BER值,而在144 GBd和160 GBd的测量中,BER值低于1.24 × 10⁻⁶,这对应于所记录波形长度的检测极限。如图4(e)所示,160 GBd时的星座图特征为15.8 dB的星座信噪比(CSNR),对应于估计的BER为3.5×10⁻¹⁰【45,公式2.18】。在最高的QPSK符号速率204 GBd时,我们测得BER为7 × 10⁻³,仍低于具有25%开销的SD-FEC方案的BER阈值。在这种情况下,CSNR为8.5 dB,如图4(f)中的相应星座图所示。这里,AWG的75 GHz电气3 dB带宽【46】主要限制了该实验的性能。如图4(c)所示,16-QAM信号的最高符号速率为176 GBd,并且测得BER为3.08 × 10⁻²,仍低于具有25%开销的SD-FEC代码的BER阈值。这对应于704 Gbit/s的线路速率。对应的NDR高达581 Gbit/s,验证了基于混合Si3N4-LiTaO3电路的电信系统的可行性。图4(g)显示了相应的星座图,从中我们测得CSNR为12.0 dB。
据我们所知,这些实验代表了首次在基于LiTaO3-on-Si3N4的高符号速率通信实验中的演示,并且代表了迄今为止其他类似异质光子平台未能实现的重要里程碑【47-49】。这一成就超过了之前在混合集成硅钽酸锂相干调制器中报道的低于100 GBd的符号速率【50】。
III. 讨论
替代的混合集成Si3N4-LiTaO3波导几何结构可以进一步提升它们的一些性能指标。然而,这些改进可能会以牺牲其他指标为代价。例如,依赖较薄的粘接LiTaO3薄膜可以减少最终混合波导中的薄板损耗,从而降低光学传播损耗并提高环形谐振器的质量因子。然而,这种较窄的薄膜也会减少传播模式与电光材料的重叠,从而导致较低的调制效率。除了这些潜在的设计权衡外,一些特性可能需要特定的波导尺寸,这将限制其他性能指标在固定范围内。例如,承载光学非线性的波导通常需要验证由其横截面决定的特定色散关系【8,10,11】。因此,特定终端应用所需的PIC特性将最终决定其波导的几何形状,从而影响其性能。
我们的Si3N4-LiTaO3平台可能会从平台扩展带来的额外功能中受益。即,适应其粘接工艺可能会导致III-V族有源光学材料的集成【51–54】,并可能实现一个多层平台,结合III-V组件【55】和Si3N4-LiTaO3混合波导。将不同的Si3N4和LiTaO3波导层结合起来,还会带来一些好处,例如消除Si3N4波导中的薄板损耗,并增加与LiTaO3的模式重叠,从而增强电光耦合强度。然而,这些好处将以我们加工流程中对LiTaO3薄膜的最小加工为代价。
总而言之,我们介绍了一种依赖于LiTaO3薄膜在兼容工艺的Si3N4 PICs上的晶圆级粘接的光子平台。其制造过程在晶圆的九个中心设备场中达到了100%的粘接产率。与其他单片电光PIC平台【30,37,38】相比,Si3N4-LiTaO3平台通过依赖标准化的Si3N4高产量流程规避了LiTaO3的特殊刻蚀。最终的电路保持了在通信波长下低光损耗,同时也适应了具有高效率和平坦电光响应的宽带调制器,调制速率可延伸至100 GHz。数据传输实验通过展示超过500 Gbit/s的净数据速率验证了这些特性的实用性。Si3N4-LiTaO3 PIC的高产量生产的便捷性增强了其在现场可部署应用中的前景,这些应用不仅限于高速光通信,还包括微波到光学的转换器【56–58】和快速可调的LiDAR【59,60】。与厚Si3N4波导的内建集成还使得新一代的片上系统得以实现,利用电光和超低损耗波导,涵盖从微波振荡器【22,23】到潜在的与Kerr频率梳接口【8,9】的应用。