可與硅基光電子工藝平臺集成的新型材料

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引言
$ Q+ X4 }: h% h, `' [$ Y( g硅基光電子技術(shù)已成為集成光電子線路平臺，利用半導體行業(yè)成熟的制造工藝。然而，硅的材料特性對主動光電子功能施加了一些限制。本文探討了可與硅集成的新型材料，以實現(xiàn)下一代光電子集成芯片的電光調(diào)制和非線性光學效應。
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- n  |$ M: L) g( Z& o鈦酸鋇用于電光調(diào)制
鈦酸鋇（BaTiO3或BTO）是一種具有大電光系數(shù)的鐵電材料，適用于高速、低功耗光調(diào)制器。BTO可以外延生長在硅絕緣體（SOI）襯底上，創(chuàng)建硅-BTO混合光電子器件。
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$ G8 B  p7 f2 ^: ]9 {BTO調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：
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% _$ l+ X( [  h3 q7 x, R/ v圖1：基于SOI的BTO調(diào)制器布局，采用水平槽波導結(jié)構(gòu)。

' j6 J$ q; u  @( [) i5 \$ x該調(diào)制器利用水平槽波導幾何結(jié)構(gòu)，BTO層夾在硅層之間。這種結(jié)構(gòu)將光模式集中在BTO層中，以實現(xiàn)與金電極施加的調(diào)制電場最大重疊。

BTO調(diào)制器的關(guān)鍵設計考慮包括：

優(yōu)化波導尺寸，實現(xiàn)低傳播損耗和BTO層中的高限制。

通過適當?shù)拈g距最小化金屬電極的吸收損耗。

實現(xiàn)光場和射頻場之間的相位匹配，以實現(xiàn)高效調(diào)制。

將施加的電場與BTO晶體取向?qū)�齊，以最大化電光效應。
( {) F, A  B4 ?7 d9 ^/ I[/ol]
, T2 f* ?/ \; e; n, u圖2顯示了電場分布和有效折射率變化的模擬結(jié)果：
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8 x  X8 K3 \0 ?3 \5 R) `圖2：（a） 模擬的靜電勢分布。（b） 有效折射率隨施加電壓的線性變化。

$ `/ n& {6 Q. J! w# L% {5 C7 w0 D: ?, J實驗結(jié)果表明，BTO調(diào)制器的有效電光系數(shù)高達100 pm/V，電壓-長度乘積低至2 V·cm，顯示出低功耗、緊湊器件的潛力。

氮化鎵用于非線性光學
) C0 f" R' D- e2 D氮化鎵（GaN）是一種具有非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導體，能夠?qū)崿F(xiàn)二階非線性光學效應。GaN可以鍵合到氧化物包覆的硅襯底上，創(chuàng)建GaN-on-insulator（GaNOI）光線路。

圖3顯示了制造的GaN波導和諧振器：
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4 l( L: ~: M5 e" p. j, F圖3：（a） GaN-on-insulator波導橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。（b，c） GaN微環(huán)諧振器的傳輸譜，顯示高Q因子。

GaN的非中心對稱結(jié)構(gòu)允許在紅外光泵浦下進行高效的二次諧波產(chǎn)生（SHG）。圖4展示了GaN微環(huán)諧振器中的可見光產(chǎn)生：
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  E: \! o- {1 l+ X# z圖4：（a） GaN微環(huán)中SHG的CCD圖像。（b） 確認SHG的二次方功率依賴關(guān)系。（c） 觀察到的三次諧波產(chǎn)生。（d） 三次諧波的三次方功率依賴關(guān)系。

( j: \4 K6 j( @2 a1 H5 ]通過適當設計波導尺寸，可以實現(xiàn)基頻和二次諧波模式之間的相位匹配，以最大化轉(zhuǎn)換效率。微環(huán)腔中的共振增強進一步提高了非線性相互作用。
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4 ~0 f1 N8 J' m1 k+ |) M% c  f氮化鋁用于集成光電子
氮化鋁（AlN）在集成光電子方面具有幾個優(yōu)勢：

寬禁帶（6.2 eV），允許從紫外到紅外的操作

大二階非線性，用于電光效應

高熱導率和低熱光系數(shù)

CMOS兼容的濺射沉積工藝

AlN可以直接沉積在氧化物包覆的硅上，創(chuàng)建高質(zhì)量的光線路。圖5顯示了AlN-on-insulator波導和諧振器：

" g! T) V3 Y6 V1 `0 j圖5：（a） AlN-on-insulator波導的掃描電子顯微鏡圖像。（b，c） AlN微環(huán)的傳輸譜，顯示Q因子超過100，000。
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濺射AlN的高光學質(zhì)量使得波導傳播損耗低至0.6 dB/cm。

" y( k' _4 _0 t: i9 ^0 [( B通過利用AlN的固有Pockels效應，可以實現(xiàn)電光調(diào)制器。圖6顯示了AlN微環(huán)調(diào)制器的設計：

圖6：（a） AlN波導中光學模式和射頻場重疊的模擬。（b） 電極設計優(yōu)化，以實現(xiàn)AlN中的最大場強。

實驗結(jié)果證明，使用低驅(qū)動電壓可實現(xiàn)高達4.5 Gbps的調(diào)制速度，如圖7的眼圖所示：
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, i, I" j4 O" ~9 C# K5 w圖7：（a） AlN微環(huán)調(diào)制器的光學顯微鏡圖像。（b） 施加電壓時的共振調(diào)諧。（c） 4.5 Gbps眼圖。

& o  C' i1 W. g- d* qAlN還能實現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)，增強光物質(zhì)相互作用。圖8顯示了二維AlN光子晶體的設計：
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' T( ], Y0 {) B* r4 ]1 o9 R
圖8：（a，c） 2D AlN光子晶體和線缺陷波導的示意圖。（b，d） 相應的光子能帶圖。
: S# h5 Q" U4 W& d* X  Z
: k$ K  P* m. G/ B2 v- b4 J這些結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生慢光效應，增強非線性相互作用。圖9展示了AlN光子晶體波導中群折射率增加的實驗測量：


圖9：（a，b） AlN光子晶體波導的傳輸譜，顯示在帶邊附近群折射率增加7倍。

* j- k7 U8 `4 N! a! S' a  l) ^一維光子晶體腔也可以在懸浮的AlN納米梁中實現(xiàn)，如圖10所示：

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圖10：（a） 1D AlN光子晶體腔的設計。（b） 制造工藝流程。（c-e） 制造的器件的光學和掃描電子顯微鏡圖像。
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這些腔可以在保持小模式體積的同時實現(xiàn)超高品質(zhì)因子。圖11顯示了腔共振的實驗表征：

# u$ v( q( x( l4 G8 G8 z6 n圖11：（a） 模擬的腔模式剖面。（b） 測量的傳輸譜，顯示Q因子為85，000。（c） 腔線寬與耦合間隙的關(guān)系。
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7 `5 P0 Y0 r6 m, H" v通過優(yōu)化腔設計，實驗上已經(jīng)證明Q因子高達146，000。通過改變腔長度可以調(diào)諧共振波長，如圖12所示：
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" p' H1 A3 A* }
. X( K8 D+ C9 U  E2 R" B圖12：（a） 測量的Q因子與腔長度的關(guān)系。（b） 共振波長隨腔長度的調(diào)諧。

8 _0 V$ R, ~% V; @, U' Q結(jié)論
BTO、GaN和AlN等新型材料可以為硅基光電子技術(shù)增加關(guān)鍵的主動功能：
' p* \1 a- n0 ~  n/ Y5 vBTO通過Pockels效應實現(xiàn)高效的電光調(diào)制
GaN提供強二階非線性，用于頻率轉(zhuǎn)換
AlN為線性和非線性集成光電子技術(shù)提供多功能的CMOS兼容平臺

, [* s" {' V7 j5 V這些材料系統(tǒng)為跨越可見光到紅外波長的高性能光電子集成芯片開辟了新的可能性，繼續(xù)開發(fā)混合和異質(zhì)集成技術(shù)將是在實際器件和系統(tǒng)中利用其獨特特性的關(guān)鍵。

參考文獻
[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

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