IEEE SiPhotonics2025 | C波段具有100 GHz电光带宽的薄膜铌酸锂上Silicon-rich氮化硅调制器
引言数据中心流量的不断增长催生了对高速、低损耗、节能的光调制解决方案的迫切需求，这些解决方案需要与硅基光电子平台兼容。将铌酸锂(LN)的优异电光特性与Silicon-rich氮化硅(SiNR)的制造优势相结合是一种有效方法。本文将探讨这种混合技术的突破性实现，该技术在光通信领域实现了卓越的性能指标。
1设计创新与制造工艺在光调制器中集成铌酸锂面临着显著挑战。虽然薄膜铌酸锂提供高速、高效的调制能力，但其难以蚀刻，且锂化合物的挥发性为在CMOS环境中大规模制造蚀刻的铌酸锂调制器创造了实质性障碍。研究人员探索了替代集成策略，包括微转印和铌酸锂薄膜的肋加载，以简化处理并实现在标准硅平台上的集成。
本文描述的调制器设计利用铌酸锂上的Silicon-rich氮化硅(SiNR)肋式波导创建马赫-曾德尔调制器(MZM)。SiNR波导的折射率为2.66，厚度为115 nm，宽度为850 nm，位于SiO2上300 nm厚的x切铌酸锂层上。这种特定的波导几何结构确保了在1550 nm目标波长处的单模传播。共面电极经过精心设计，以实现电光带宽和效率之间的最佳平衡。
制造过程包括在来自NanoLN.inc的300 nm厚X切LNOI晶圆上使用PECVD在300°C沉积SiNR层。沉积参数经过优化，以在1550 nm处实现所需的2.66折射率。SiNR肋式波导使用电子束光刻和ICP-RIE蚀刻技术制造。具有铬粘附层的300 nm厚金共面电极通过激光光刻、电子束蒸发和剥离方法生产。图1. (a)调制部分的光场强度分布，(b)调制器的SEM横截面，和(c)制造的器件俯视图。
2性能测量与结果调制器的光学表征涉及使用光栅耦合器将Exfo T100S-HP可调连续波激光器的光耦合进出芯片。研究人员测量每个耦合器的耦合损耗为5.3 ± 0.2 dB，传播损耗为3.6 dB/cm。为了分割MZM内的光路，采用了1×2多模干涉仪(MMI)，附加损耗测量低于0.15 dB。图2. (a)MZM透射光谱显示52 dB消光比，(b)在50 kHz的电光响应，展示了具有7 μm电极间距的5 mm长器件的调制能力。
然后使用RS Pro 2122X任意波形发生器在接地-信号-接地(GSG)配置中测试调制器。施加了20 V峰峰值幅度的50 kHz三角信号，并使用连接到Tektronix TDS 3014B示波器的Newport 1544-B-50光电接收器测量器件输出。测得的效率(VπLπ)为令人印象深刻的2.9 V·cm。
使用连接到N5293AX01频率扩展器和MPI Titan110 GSG探针的Keysight N5222B VNA测量高达110 GHz的高速电光响应。在1550 nm附近的正交运行7 µm电极间距MZM时进行了100 GHz的EO带宽测量。研究人员发现，高频响应主要受300 nm厚金电极中RF损耗的限制。对于更大的电极间距(11 µm)，测得甚至更高的EO带宽超过110 GHz，尽管这以降低效率为代价。图3. (a)5 mm长MZM调制器的电光响应显示100 GHz带宽，(b)32 Gb/s下OOK和PAM4格式的BER测量，插图显示60 Gb/s下的眼图。
为评估数据传输能力，使用Manlight EDFA将光输入功率放大到20 dBm。调制器由连接到SHF S807B RF放大器的Keysight M8040A BER测试站驱动。施加了4.4 V峰峰值幅度的伪任意信号，支持高达60 Gb/s的数据速率。使用DCA-X 86100D示波器测量光输出。
60 Gb/s下OOK调制的眼图展示了1.1 mW的光调制幅度(OMA)和3.5的信噪比(SNR)。使用N1075A电气(O/E)转换器对不同输入功率进行了OOK和PAM4格式的BER测量。测量的BER满足软决策前向纠错(SD-FEC)和硬决策前向纠错(HD-FEC)的要求，OOK格式的器件输出功率高于-14 dBm，PAM4格式高于-5 dBm。表1. 在1550 nm下正交运行的5 mm长MZM的性能指标，显示片上插入损耗为1.8 dB，消光比为52 dB，VπL为2.9 V·cm，EO带宽为100 GHz，以及OOK格式的数据传输特性。
3结论与未来展望这种创新的光调制器设计方法产生了一个5 mm长的铌酸锂上Silicon-rich氮化硅调制器，实现了仅1.8 dB的插入损耗和100 GHz的电光带宽。该器件展示了出色的数据传输能力，60 Gb/s眼图显示光调制幅度超过1 mW，32 Gb/s下OOK和PAM4调制格式的输出功率为-14 dBm时，比特错误率符合HD-FEC标准。
研究团队表示，通过增加电极厚度可实现高速性能的进一步提升。值得注意的是，这种混合架构避免了对铌酸锂进行蚀刻的需要，为在硅基光电子平台上集成高速铌酸锂调制器提供了有效方法。这一进展代表了开发用于高带宽光通信系统的新一代光电子集成线路的重要一步。
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