可與硅基光電子工藝平臺(tái)集成的新型材料

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引言
* E) Y) |$ x4 Z0 G6 W+ X硅基光電子技術(shù)已成為集成光電子線(xiàn)路平臺(tái)，利用半導(dǎo)體行業(yè)成熟的制造工藝。然而，硅的材料特性對(duì)主動(dòng)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(shí)現(xiàn)下一代光電子集成芯片的電光調(diào)制和非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)。
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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(zhǎng)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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8 n; }' _8 f8 [  g6 VBTO調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：
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7 d( L- O/ r" @+ y. g1 p圖1：基于SOI的BTO調(diào)制器布局，采用水平槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
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該調(diào)制器利用水平槽波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)與金電極施加的調(diào)制電場(chǎng)最大重疊。
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' e+ ~! P# b( R5 vBTO調(diào)制器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮包括：

優(yōu)化波導(dǎo)尺寸，實(shí)現(xiàn)低傳播損耗和BTO層中的高限制。

通過(guò)適當(dāng)?shù)拈g距最小化金屬電極的吸收損耗。

實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)和射頻場(chǎng)之間的相位匹配，以實(shí)現(xiàn)高效調(diào)制。

將施加的電場(chǎng)與BTO晶體取向?qū)�齊，以最大化電光效應(yīng)。
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+ A3 ~- N5 e$ Z3 k圖2顯示了電場(chǎng)分布和有效折射率變化的模擬結(jié)果：

圖2：（a） 模擬的靜電勢(shì)分布。（b） 有效折射率隨施加電壓的線(xiàn)性變化。
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BTO調(diào)制器的有效電光系數(shù)高達(dá)100 pm/V，電壓-長(zhǎng)度乘積低至2 V·cm，顯示出低功耗、緊湊器件的潛力。
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氮化鎵用于非線(xiàn)性光學(xué)
氮化鎵（GaN）是一種具有非中心對(duì)稱(chēng)晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體，能夠?qū)崿F(xiàn)二階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)。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(xiàn)路。
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圖3顯示了制造的GaN波導(dǎo)和諧振器：

' u% _, ]2 W& [4 T* y3 x圖3：（a） GaN-on-insulator波導(dǎo)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)允許在紅外光泵浦下進(jìn)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(jiàn)光產(chǎn)生：

, o8 |; a& O$ i+ w) a圖4：（a） GaN微環(huán)中SHG的CCD圖像。（b） 確認(rèn)SHG的二次方功率依賴(lài)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(lài)關(guān)系。

通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)波導(dǎo)尺寸，可以實(shí)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(qiáng)進(jìn)一步提高了非線(xiàn)性相互作用。
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氮化鋁用于集成光電子
8 r4 |7 p/ u3 r& _- O+ w0 f7 u氮化鋁（AlN）在集成光電子方面具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
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寬禁帶（6.2 eV），允許從紫外到紅外的操作

大二階非線(xiàn)性，用于電光效應(yīng)

高熱導(dǎo)率和低熱光系數(shù)

CMOS兼容的濺射沉積工藝
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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(xiàn)路。圖5顯示了AlN-on-insulator波導(dǎo)和諧振器：
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圖5：（a） AlN-on-insulator波導(dǎo)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(guò)100，000。
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, W, k* \& T, o/ X/ M5 A濺射AlN的高光學(xué)質(zhì)量使得波導(dǎo)傳播損耗低至0.6 dB/cm。
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通過(guò)利用AlN的固有Pockels效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器。圖6顯示了AlN微環(huán)調(diào)制器的設(shè)計(jì)：

圖6：（a） AlN波導(dǎo)中光學(xué)模式和射頻場(chǎng)重疊的模擬。（b） 電極設(shè)計(jì)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)AlN中的最大場(chǎng)強(qiáng)。
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用低驅(qū)動(dòng)電壓可實(shí)現(xiàn)高達(dá)4.5 Gbps的調(diào)制速度，如圖7的眼圖所示：

圖7：（a） AlN微環(huán)調(diào)制器的光學(xué)顯微鏡圖像。（b） 施加電壓時(shí)的共振調(diào)諧。（c） 4.5 Gbps眼圖。
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AlN還能實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用。圖8顯示了二維AlN光子晶體的設(shè)計(jì)：
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圖8：（a，c） 2D AlN光子晶體和線(xiàn)缺陷波導(dǎo)的示意圖。（b，d） 相應(yīng)的光子能帶圖。
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這些結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生慢光效應(yīng)，增強(qiáng)非線(xiàn)性相互作用。圖9展示了AlN光子晶體波導(dǎo)中群折射率增加的實(shí)驗(yàn)測(cè)量：


. W! l4 \* U; j- t圖9：（a，b） AlN光子晶體波導(dǎo)的傳輸譜，顯示在帶邊附近群折射率增加7倍。

一維光子晶體腔也可以在懸浮的AlN納米梁中實(shí)現(xiàn)，如圖10所示：
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' k1 t0 |3 o2 M0 M圖10：（a） 1D AlN光子晶體腔的設(shè)計(jì)。（b） 制造工藝流程。（c-e） 制造的器件的光學(xué)和掃描電子顯微鏡圖像。

這些腔可以在保持小模式體積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子。圖11顯示了腔共振的實(shí)驗(yàn)表征：
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圖11：（a） 模擬的腔模式剖面。（b） 測(cè)量的傳輸譜，顯示Q因子為85，000。（c） 腔線(xiàn)寬與耦合間隙的關(guān)系。

  J% k% m( u# ?* n通過(guò)優(yōu)化腔設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證明Q因子高達(dá)146，000。通過(guò)改變腔長(zhǎng)度可以調(diào)諧共振波長(zhǎng)，如圖12所示：
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  X! ^' X9 S$ V  c3 i圖12：（a） 測(cè)量的Q因子與腔長(zhǎng)度的關(guān)系。（b） 共振波長(zhǎng)隨腔長(zhǎng)度的調(diào)諧。

9 o5 W2 `7 l0 `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(dòng)功能：
BTO通過(guò)Pockels效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效的電光調(diào)制
GaN提供強(qiáng)二階非線(xiàn)性，用于頻率轉(zhuǎn)換
. D, w. I4 i, j* TAlN為線(xiàn)性和非線(xiàn)性集成光電子技術(shù)提供多功能的CMOS兼容平臺(tái)

7 [% P  H& R3 O8 |1 F! w. A這些材料系統(tǒng)為跨越可見(jiàn)光到紅外波長(zhǎng)的高性能光電子集成芯片開(kāi)辟了新的可能性，繼續(xù)開(kāi)發(fā)混合和異質(zhì)集成技術(shù)將是在實(shí)際器件和系統(tǒng)中利用其獨(dú)特特性的關(guān)鍵。
* r6 I% Q$ U8 L8 y  S
參考文獻(xiàn)
) ]) J, x1 D) r1 D7 F3 q[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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