硅基光子調(diào)制器研究進(jìn)展

胡祥建 馮 松 馮露露 王 迪 劉 勇陳夢(mèng)林 丁斌斌 韓 超 韓小祥

(西安工程大學(xué)理學(xué)院 西安 710048)

1 引 言

光子調(diào)制器是光子集成的核心器件，特別是在通信領(lǐng)域，它具有將電數(shù)據(jù)寫入光載波的功能。隨著硅光子技術(shù)的快速發(fā)展，世界各大研究機(jī)構(gòu)都開始研發(fā)各種高性能的器件[1-3]，而調(diào)制器作為通信領(lǐng)域的核心器件之一，引起了全世界的關(guān)注。目前，對(duì)調(diào)制器的研發(fā)集中于亞微米絕緣體上硅(Silicon On Insulator，SOI)波導(dǎo)。然而，亞微米 SOI 波導(dǎo)存在高光纖耦合損耗、高偏振相關(guān)損耗、大波導(dǎo)雙折射和相位噪聲等問題[4-7]。現(xiàn)有亞微米器件的一些缺點(diǎn)，可能成為實(shí)現(xiàn)下一代片上光互連器件的主要障礙，用亞微米 SOI 波導(dǎo)集成的器件要克服這些障礙仍需做大量的研究工作。硅基高速光子調(diào)制器是一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建模塊，可以為未來的光互連和通信系統(tǒng)提供解決方案。

一般來說，硅基光子調(diào)制器的調(diào)制機(jī)制分為兩種：強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制主要通過改變電壓、溫度等偏置條件，來改變折射率的大小從而進(jìn)行調(diào)制；相位調(diào)制主要是在調(diào)制器中加入移相器，通過改變電壓大小，使吸收系數(shù)發(fā)生改變進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。與強(qiáng)度調(diào)制相比，相位調(diào)制由于采用干涉技術(shù)而具有很高的檢測(cè)靈敏度和極大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，抗干擾能力強(qiáng)；且調(diào)制器形式靈活多樣，可適用于多種物理量和不同的測(cè)量環(huán)境，因而被廣泛使用。硅基光子調(diào)制器可以采用 SOI 材料、鍺硅(SiGe)材料、鍺(Ge)材料、鐵電材料、有機(jī)光電材料、III-V 族材料和石墨烯材料等進(jìn)行制作。化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法是常用的外延材料制備技術(shù)，其中，減壓化學(xué)氣相沉積(Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition，RPCVD)法具有成本低、效率高、薄膜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是適合工業(yè)量產(chǎn)的外延工藝之一。早在 2011 年，中國科學(xué)院卞劍濤的課題組已提出采用 RPCVD 法在 Si 襯底上生長出高質(zhì)量的 Ge 薄膜[8]。同年，蘭州大學(xué)陳達(dá)的課題組也采用 RPCVD 法在硅(Si)襯底上制備出了組分約為 20% 的高質(zhì)量 SiGe 薄膜[9]。此外，制備 SiGe 薄膜的方法還有分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)以及超真空化學(xué)氣相沉積(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition，UHVCVD)。磁控濺射是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)的一種，一般的濺射法可用于制備金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等多種材料，且具有價(jià)格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、制備技術(shù)成熟的特點(diǎn)。對(duì)于單晶薄膜，磁控濺射已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈦酸鹽系、鉍系單晶薄膜的制備，以及低居里溫度的鐵電薄膜的制備，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過磁控濺射已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的鐵電薄膜有鈮酸鋰(LiNbO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)等。分子束外延是一種在晶體基片上生長高質(zhì)量晶體薄膜的新技術(shù)，具有能精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分，以及形成陡峭的異質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。2015 年，上海大學(xué)楊文獻(xiàn)的課題組提出基于分子束外延方法制備高質(zhì)量的 InGaAsP 薄膜[10]。自單層及多層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯的制備便受到廣泛關(guān)注。石墨烯的制備方法一般有3 種：機(jī)械剝離法；化學(xué)合成法，如 CVD 法和氧化還原法等；特殊的制備方法，如有機(jī)合成和碳納米管軸向切割法等。

近年來，硅基光子調(diào)制器的性能有了顯著提升。但采用傳統(tǒng)硅材料制成的調(diào)制器，其調(diào)制速度并不理想，這是由于硅材料沒有一階電光效應(yīng)，且高階電光效應(yīng)十分微弱。因此，采用傳統(tǒng)硅材料制成的調(diào)制器一般都是基于等離子色散效應(yīng)。等離子色散效應(yīng)是指在外加電場(chǎng)的作用下，使有源區(qū)的自由載流子濃度發(fā)生改變，進(jìn)而改變輸出光波的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。但是，由于受到載流子本身壽命的限制，調(diào)制器的速度并不是很高，因此，采用其他材料或結(jié)構(gòu)制成調(diào)制器的研究已迫在眉睫。隨著硅基半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，硅基光子調(diào)制器已經(jīng)成為了主流器件。通過大量實(shí)驗(yàn)證明，將其他材料與 SOI 波導(dǎo)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)調(diào)制的混合器件已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，包括 III-V 族材料[11]、聚合物[12]、Ge[13]和石墨烯[14]等材料。為進(jìn)一步研究硅基光子調(diào)制器，本文對(duì)基于 SOI 材料、SiGe 材料、Ge 材料、鐵電材料、有機(jī)光電材料、III-V 族材料以及石墨烯材料等硅基光子調(diào)制器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，并對(duì)相關(guān)調(diào)制器的調(diào)制速率、插入損耗、消光比等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比和分析，為未來繼續(xù)研發(fā)高速率、低損耗的光子調(diào)制器提供了思路。

2 基于 SOI 材料的調(diào)制器

SOI 是指在具有絕緣層的硅襯底上生成一層單晶硅薄膜，或是通過絕緣層(通常為 SiO2)將單晶硅薄膜與支撐的硅襯底分離的一種材料?；诠璨牧虾凸杓呻娐分圃旆矫娴某晒?jīng)驗(yàn)，SOI 技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。采用 SOI 材料所制備的 CMOS 器件具備良好的無閂鎖效應(yīng)及低功耗、高運(yùn)行速率等優(yōu)點(diǎn)，其也是制備微納米光子器件的理想襯底材料。近年來，隨著商用光電子與微電子技術(shù)的快速發(fā)展，SOI 技術(shù)已成為商用光電子和微電子領(lǐng)域的主流技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于光波導(dǎo)器件、光通信器件、抗輻照硅集成電路和高速微電子集成器件等重要的商用信息技術(shù)領(lǐng)域，是國際公認(rèn)的“21 世紀(jì)的半導(dǎo)體新技術(shù)”。

2012 年，英國薩里大學(xué) Thomson 的課題組首次提出了調(diào)制速率為 50 Gb/s 的硅光調(diào)制器[15]。該調(diào)制器是在馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder，MZ)干涉儀中加入相位調(diào)制器得到的，通過實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果顯示該調(diào)制器在波長為 1 550 nm 處，其消光比為 3.1 dB，相應(yīng)的插入損耗約為 3.7 dB。相位調(diào)制器截面圖如圖 1 所示，該器件設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是制造過程相對(duì)簡(jiǎn)單，其被設(shè)計(jì)成內(nèi)脊高為 220 nm、脊寬為 400 nm、平板高度為100 nm 的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。與平板高度為 50 nm 的器件相比，100 nm 的平板高度具有更低的接觸電阻和側(cè)壁粗糙度。該器件脊型區(qū)和一側(cè)的平板區(qū)是 P 型摻雜，另一側(cè)的平板區(qū)是 N 型摻雜，由于P 型區(qū)域的摻雜濃度低于 N 型區(qū)域，使得在反向偏壓條件下，耗盡層主要延伸到脊型區(qū)，這種摻雜比例可以有效降低插入損耗。

圖1 相位調(diào)制器截面圖Fig. 1 Cross section of phase modulator

2013 年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 Xiao 的研究小組設(shè)計(jì)了一種在 1 550 nm 波長下工作，基于橫向 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的高速硅 MZ 調(diào)制器[16]，調(diào)制速率高達(dá) 60 Gb/s，該速率是目前報(bào)道中通信波段單個(gè)調(diào)制器芯片的最高速率。該調(diào)制器是在200 mm 厚的 SOI 晶圓上制備的，頂層硅厚度為340 nm，埋氧層厚度為 2 μm，該調(diào)制器的截面圖和俯視圖如圖 2 所示。

圖2 MZ 調(diào)制器的截面示意圖和俯視圖Fig. 2 Section diagram and top view of MZ modulator

2018 年，英國南安普頓大學(xué) Cao 的課題組設(shè)計(jì)了在 1 950 nm 波長下，基于 SOI 材料的高速調(diào)制器[17]。該調(diào)制器被設(shè)計(jì)成基于 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的 MZ 干涉儀，其調(diào)制速率為 20 Gb/s，該速率是目前報(bào)道中紅外調(diào)制器的最高速率。通過實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果顯示該調(diào)制器在 1 950 nm 波長處的插入損耗為 13 dB，明顯高于 1 550 nm 波長處的插入損耗值(4 dB)，這種差異是因?yàn)椴▽?dǎo)在直接穿過金屬層下面區(qū)域時(shí)被金屬吸收。該結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)層頂部和金屬層底部之間的垂直距離只有 600 nm，在 1 950 nm 波長處的光學(xué)模場(chǎng)較大，因此與金屬之間存在較大的重疊。由于帶寬的限制，該實(shí)驗(yàn)無法獲得在 2 μm 波長下，調(diào)制器速率大于20 Gb/s 的眼圖數(shù)據(jù)，但由于 PN 結(jié)在 1 950 nm和 2 μm 波長處的帶寬非常相似，因此，該實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的調(diào)制器可以具有更高的調(diào)制速率。該調(diào)制器的截面圖如圖 3 所示，器件是在頂層硅厚度為 220 nm 的 SOI 波導(dǎo)上制作的，脊波導(dǎo)寬為 550 nm，平板區(qū)刻蝕深度為 90 nm。PN 結(jié)位于波導(dǎo)的中心，高摻雜區(qū)寬度分別為 1.125 μm(N型)和 1.025 μm(P 型)，圖中 N、P、N＋、P＋區(qū)域的摻雜濃度分別為 3e17 cm－3、8.5e17 cm－3、le20 cm－3和 le20 cm－3。

圖3 MZ 調(diào)制器的橫截面Fig. 3 Cross section of MZ modulator

2019 年，日本富士通實(shí)驗(yàn)室 Sobu 的研究小組提出了一種基于載流子注入等離子色散效應(yīng)的 Si MZ 調(diào)制器[18]。該調(diào)制器是基于帶無源電阻電容(Resistor-Capacitor，RC)均衡器的正向偏置 PIN 二極管的設(shè)計(jì)，通過對(duì)其改進(jìn)制作了一種Si MZ 調(diào)制器，證明了在 50 Gbaud 以上高速運(yùn)行的可行性。圖 4 為 Si MZ 調(diào)制器截面圖，基于摻雜脊波導(dǎo)的非對(duì)稱 Si MZ 調(diào)制器結(jié)構(gòu)是在 SOI 晶片上制作的，該晶片由一個(gè) 220 nm 厚的 Si 層和一個(gè) 3 μm 厚的埋氧層組成，正向偏置的 PIN 移相器在 480 nm×220 nm 波導(dǎo)的芯層內(nèi)有一個(gè)未摻雜的本征區(qū)。通過在無源均衡器的電容器中引入金屬-絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 37.5 GHz 的 3 dB 帶寬，調(diào)制效率測(cè)量為 2 V·cm。在大信號(hào)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)消光比大于1.38 dB 時(shí)，獲得了高達(dá) 70 Gbaud 不歸零編碼信號(hào)的清晰眼圖。這些結(jié)果都清楚地表明了全硅調(diào)制器用于高速和低功耗芯片的可行性。

圖4 Si MZ 調(diào)制器的截面圖Fig. 4 Cross section of Si MZ modulator

為了對(duì) SOI 材料調(diào)制器進(jìn)行更為清晰的對(duì)比，表 1 列出了近年來基于不同調(diào)制結(jié)構(gòu)的 SOI 光子調(diào)制器的性能參數(shù)。由表 1 可知，在 1 550 nm的工作波長下，Xiao[16]和 Timurdogan[19]等人設(shè)計(jì)的光子調(diào)制器的插入損耗較低，均為 1.20 dB；此外，與其他工作在 1 550 nm 波長下的光子調(diào)制器相比，Xiao 等[16]設(shè)計(jì)的光子調(diào)制器還具有較高的調(diào)制速率以及較大的帶寬(3 dB)。

表1 調(diào)制器性能參數(shù)Table 1 Modulator performance parameters

3 基于 SiGe 材料的調(diào)制器

目前，采用傳統(tǒng)硅材料制成的調(diào)制器的調(diào)制速率已經(jīng)達(dá)到 50 Gb/s，但進(jìn)一步提高調(diào)制速率是十分困難的。與 Si 材料相比，SiGe 材料具有更高的載流子遷移率，其制備工藝與 CMOS 工藝相兼容，且材料本身具有很強(qiáng)的電吸收(EA)效應(yīng)，利用弗朗茲-凱爾迪什(Franz-Keldysh，F(xiàn)K)效應(yīng)或量子限制斯塔克效應(yīng)，就可以使其工作在吸收邊界波長處。SiGe 材料作為一種制作高速率器件的理想材料，具有調(diào)制帶寬大、調(diào)制效率高、消光比高、插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)，尤其在中紅外波段方面有著良好的應(yīng)用前景。

2012 年，美國 Kotura 公司和 Sun 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合演示了一種高速 SiGe 電吸收調(diào)制器[30]。該調(diào)制器利用 FK 效應(yīng)，采用水平 P-I-N 結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)集成在一個(gè) 3 μm 厚的 SOI 波導(dǎo)上，其工作波長為 1 546～1 581 nm。當(dāng)波長為 1 550 nm、擺幅電壓為 2.8 V 時(shí)，器件的插入損耗為 5.0 dB，消光比為 6.0 dB。該器件在 1 550 nm 波長處的插入損耗較大，損耗主要來源于沒有施加電壓時(shí) SiGe的吸收損耗，以及 Si 波導(dǎo)和 SiGe 波導(dǎo)之間的模式失配損耗。3 dB 帶寬測(cè)量結(jié)果表明，該器件在2.8 V 反向偏壓下，3 dB 帶寬為 40.7 GHz。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5 所示，當(dāng)光從脊 SOI 波導(dǎo)傳播到調(diào)制區(qū)域時(shí)，在有源區(qū)(SiGe)被吸收，吸收的量取決于 P-I-N 結(jié)的施加電壓大小。這種水平的P-I-N 結(jié)構(gòu)使得 SiGe 區(qū)域非常狹窄，降低了實(shí)現(xiàn)高消光比所需的擺幅電壓。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該調(diào)制器的漏電流很大，產(chǎn)生這種高漏電流的一個(gè)可能原因是 SiGe 和 Si 之間的界面處存在過高的缺陷密度；另一個(gè)可能原因是鈦/鋁金屬在干法刻蝕后存在金屬殘留。通過優(yōu)化 SiGe 材料的生長和后退火條件，或是對(duì)鈦/鋁金屬進(jìn)行過度刻蝕來除去金屬殘留，可以顯著降低漏電流。這種器件的優(yōu)點(diǎn)是體積小、速度快、功耗低。

圖5 SiGe FK 調(diào)制器截面圖Fig. 5 Cross section of SiGe FK modulator

2016 年，比利時(shí)根特大學(xué) Srinivasan 的課題組采用了與 Ge 波導(dǎo)電吸收調(diào)制器[31]類似的橫向 P-I-N 二極管設(shè)計(jì)，演示了一種調(diào)制速率為50 Gb/s 的 SiGe 波導(dǎo)電吸收調(diào)制器[32]。其截面示意圖如圖 6 所示，該調(diào)制器寬度為 0.6 μm、長度為 40 μm，集成在 220 nm 厚的 SOI 波導(dǎo)上。通過實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果表明，SiGe 電吸收調(diào)制器在室溫下的最佳工作波長為 1 560 nm。其 3 dB帶寬大于 50 GHz，在－1 V 偏置電壓下結(jié)電容為 13.8 fF。當(dāng)擺幅電壓為 2 V 時(shí)，直流消光比為(4.2±0.3)dB，插入損耗為(4.4±0.6)dB，鏈路功率損耗為 8.5 dB。當(dāng)調(diào)制速率為 50 Gb/s 時(shí)，該實(shí)驗(yàn)還在波長為 1 560 nm、擺幅電壓為 2 V的條件下，測(cè)試出了該調(diào)制器的動(dòng)態(tài)消光比為3.0 dB。

圖6 SiGe 電吸收調(diào)制器截面圖Fig. 6 Cross section of SiGe electro absorption modulator

2016 年，西安工程大學(xué)馮松的課題組提出了一種新型 Si/SiGe/Si 雙異質(zhì)結(jié) P-I-N 電學(xué)調(diào)制結(jié)構(gòu)[33]，該結(jié)構(gòu)波導(dǎo)寬度W為 450 nm，平板高h(yuǎn)為 50 nm，內(nèi)脊高H為 220 nm，其中，N＋、P＋以及 I 的摻雜濃度分別為 1e19 cm－3、1e19 cm－3、1e15 cm－3，Ge 含量為 0.2。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 7所示，通過模擬仿真其載流子濃度與調(diào)制電壓的關(guān)系，對(duì)比 SiGe-OI 以及 SOI 兩種 P-I-N 電學(xué)調(diào)制結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，這種雙異質(zhì)結(jié) P-I-N 電學(xué)調(diào)制結(jié)構(gòu)可以在更小的調(diào)制電壓下獲得更高的載流子注入效率，且更便于調(diào)制，可有效減小調(diào)制電壓并進(jìn)一步降低調(diào)制功耗。

圖7 Si/SiGe/Si 雙異質(zhì)結(jié)Fig. 7 Si/SiGe/Si double heterojunction

2018 年，英國南安普頓大學(xué) Mastronardi 的課題組提出了一種在 1 566 nm 波長下工作的低功耗 Si/SiGe 異質(zhì)結(jié)電吸收調(diào)制器[34]。該調(diào)制器基于 FK 效應(yīng)，尺寸為 1.5 μm×40 μm。在調(diào)制速率為 56.2 Gb/s 下對(duì)該調(diào)制器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明該調(diào)制器具有 5.2 dB 的動(dòng)態(tài)消光比和44 fJ/bit 的調(diào)制功率。此外，56 GHz 的 3 dB 帶寬證明了該設(shè)計(jì)方法在高速應(yīng)用方面的領(lǐng)先能力。該調(diào)制器選用了一種環(huán)繞式 P-I-N Si/SiGe 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在 800 nm 厚的 SOI 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 8 所示，在一個(gè)寬 1.5 μm 的脊波導(dǎo)上集成了一個(gè)二極管，P 摻雜定義在一個(gè) 100 nm厚的硅層(綠色)，本征區(qū)(總厚度 600 nm)包括底部的 Ge 層(黑色)和 SiGe 區(qū)域(金色)，其中 N摻雜(厚度為 100 nm)沿著脊波導(dǎo)頂部的輪廓(橙色/紅色區(qū)域)。顯然，這種設(shè)計(jì)是有利的，因?yàn)殡妶?chǎng)分布與波導(dǎo)寬度無關(guān)，并且還可根據(jù)需要對(duì)波導(dǎo)寬度進(jìn)行調(diào)整，以改善光學(xué)模式的偏振和光學(xué)約束的傳播。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也為高速緊湊型電吸收調(diào)制器提供了一種簡(jiǎn)單、可定制的制造工藝。

圖8 調(diào)制器橫截面示意圖Fig. 8 Cross section diagram of modulator

表 2 為近年來基于同種材料的 SiGe 光子調(diào)制器的性能參數(shù)。由表 2 可知，對(duì)于相同材料、相同結(jié)構(gòu)且都采用 FK 效應(yīng)制作的調(diào)制器，其各方面性能有所不同，是因?yàn)?SiGe 在整個(gè) Si 中含量的占比大小，會(huì)直接影響器件調(diào)制速率的大小。此外，SiGe 里 Ge 的含量雖相比于 Si 占比很小，但由于 Ge 的遷移率比 Si 的遷移率快得多，因此，Ge 含量越高，載流子遷移率越高，通過調(diào)節(jié) Ge 的含量大小可以優(yōu)化器件特性 。但并不是 Ge 的含量越高越好，因?yàn)?Ge 存在吸收損耗，會(huì)使調(diào)制器具有較大的損耗，所以一般調(diào)制器都是采用低 Ge 含量設(shè)計(jì)的。

表2 調(diào)制器性能參數(shù)Table 2 Modulator performance parameters

4 基于純 Ge 材料的調(diào)制器

Ge 材料主要應(yīng)用于半導(dǎo)體電子器件、光導(dǎo)纖維、紅外元器件、太空用太陽能電池等領(lǐng)域。與 Si 材料相比，Ge 材料在大功率器件中具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，基于 Ge 材料制備的紅外器件已應(yīng)用于軍事遙感和空間科學(xué)技術(shù)，如紅外通信、紅外偵察及各種軍事目標(biāo)的偵測(cè)與搜索等。Ge 材料具有很強(qiáng)的電吸收效應(yīng)，利用這種效應(yīng)，很多于 Ge 材料的高速調(diào)制器進(jìn)行了研究。

圖9 Ge 電吸收調(diào)制器的截面示意圖和俯視圖Fig. 9 Cross section and top view of Ge electro absorption modulator

2015 年，比利時(shí)根特大學(xué) Srinivasan 的課題組研發(fā)了一種帶寬超過 50 GHz 的 Ge 波導(dǎo)電吸收調(diào)制器[31]。該調(diào)制器利用 FK 效應(yīng)，在 1 610 nm 的工作波長下，調(diào)制速率高達(dá) 56 Gb/s。對(duì)其施加2 V 的驅(qū)動(dòng)電壓，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 3.3 dB 的動(dòng)態(tài)消光比，該器件的結(jié)電容僅為 12.8 fF，靜態(tài)功耗為1.2 mW。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出，該調(diào)制器在實(shí)現(xiàn)以 56 Gb/s 或更高速率進(jìn)行短程光互連的高密度和低功率硅光子收發(fā)器方面具有巨大的潛力。如圖 10 所示，該調(diào)制器集成在 220 nm 厚的 SOI 平臺(tái)上，采用 RPCVD 法在 110 nm 深的凹硅區(qū)選擇性地生長 Ge。晶圓經(jīng)過退火以降低螺紋位錯(cuò)密度，Ge 層經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光，最終厚度為 350 nm。Ge 通過離子注入形成 N 型和 P 型區(qū)域。由于 Ge外延層與 Si 襯底之間熱膨脹系數(shù)不匹配，Ge 電吸收調(diào)制器顯示出 0.2% 的拉伸應(yīng)變，將帶隙從0.8 eV(1 550 nm)移動(dòng)到 0.78 eV(1 580 nm)，其在 Pantouvaki[40]和 Ishikawa[41]等人的研究中均有相關(guān)驗(yàn)證。

圖10 集成在 220 nm 厚的 SOI 平臺(tái)上的 Ge 電吸收調(diào)制器的截面示意圖Fig. 10 Cross section diagram of Ge electro absorption modulator device integrated on 220 nm SOI platform

表 3 為近年來基于相同材料的 Ge 光子調(diào)制器的性能參數(shù)。從 Liu 等[42]的研究可知，電吸收調(diào)制器的 3 dB 帶寬僅受器件 RC 時(shí)間常數(shù)的限制，減小器件電容是實(shí)現(xiàn)更高調(diào)制速度的有效途徑。當(dāng)增大反向偏置電壓時(shí)，器件的本征區(qū)由于載流子耗盡而增大，因此 P-I-N 結(jié)的電容減小，這使得 RC 時(shí)間常數(shù)更小，調(diào)制速度更高。為了得到更高的調(diào)制速度，可以將其尺寸設(shè)計(jì)得更小，但這對(duì)其工藝的要求較高；或可通過合理設(shè)計(jì)器件電極，減小器件電容來實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制速度。

表3 調(diào)制器性能參數(shù)Table 3 Modulator performance parameters

5 基于鐵電材料與有機(jī)光電材料的調(diào)制器

鐵電材料具有優(yōu)異的物理性能，其除具有鐵電性外，還具有聲光效應(yīng)、光電效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)等性能，可用于制備傳感器、波導(dǎo)管等器件。鐵電材料擁有廣闊的應(yīng)用前景，因而備受關(guān)注。

有機(jī)光電材料具有帶寬大、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低、介電常數(shù)低、電光系數(shù)大和易于加工等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)是無機(jī)/半導(dǎo)體材料所無法媲美的，因此，有機(jī)光電材料受到了廣泛的關(guān)注，并被認(rèn)為是制備高性能電光器件和實(shí)現(xiàn)超高帶寬以及信息快速處理傳輸?shù)年P(guān)鍵。

5.1 LiNbO3 與硅光子集成

LiNbO3晶體是一種多功能鐵電材料, 具有良好的聲光、非線性光學(xué)、電光等特性，被稱為光子學(xué)領(lǐng)域中的“硅”?；?LiNbO3材料的集成光子學(xué)平臺(tái)，由于其出色的光學(xué)特性，已被廣泛應(yīng)用在快速電光調(diào)制、非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換和頻率梳生成等方面。LiNbO3作為一種被廣泛應(yīng)用的調(diào)制器材料，可以實(shí)現(xiàn)帶寬大于 35 GHz 的高速調(diào)制器[44-45]，且這類調(diào)制器已長期應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)中[46]。

2019 年，中山大學(xué) He 的課題組提出了一種混合 Si/LiNbO3MZ 調(diào)制器。該調(diào)制器使用了兩層混合集成波導(dǎo)和垂直絕熱耦合器[47]。垂直絕熱耦合器可以在 Si 波導(dǎo)和 LiNbO3波導(dǎo)之間進(jìn)行光信號(hào)傳輸，這種方法有效地利用了 LiNbO3膜。該器件具有電光帶寬大、調(diào)制效率高、片上插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)，為未來高速、節(jié)能的光通信網(wǎng)絡(luò)開辟了新途徑。此高性能調(diào)制器通過基于 LiNbO3波導(dǎo)與低損耗硅電路的無縫集成來實(shí)現(xiàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，成功得到了高達(dá) 100 Gb/s 的開關(guān)鍵控調(diào)制和高達(dá) 112 Gb/s 的四級(jí)脈沖振幅調(diào)制。LiNbO3波導(dǎo)截面示意圖如圖 11 所示，LiNbO3波導(dǎo)作為該器件中最關(guān)鍵的組成部分，必須進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高調(diào)制效率和低光損耗。所制作的波導(dǎo)的頂部寬度為w＝1 μm，平板厚度為s＝420 nm，脊高為h＝180 nm，波導(dǎo)和電極之間的間隙被設(shè)為2.75 μm。這些參數(shù)旨在實(shí)現(xiàn)調(diào)制效率和光學(xué)損失(包括金屬吸收和側(cè)壁散射損失)之間的平衡，電極以接地-信號(hào)-接地(Ground-Signal-Ground，GSG)的形式配置，其中，兩個(gè) LiNbO3波導(dǎo)分別位于接地和信號(hào)金屬之間的兩個(gè)間隙中。為了實(shí)現(xiàn)較大的電光帶寬，電極以行波的方式操作，并優(yōu)化了阻抗匹配，以及微波和光信號(hào)的速度匹配，電極的厚度設(shè)為t＝600 nm，信號(hào)和接地電極的寬度分別設(shè)為ws＝19.5 μm 和wg＝30 μm。

圖11 LiNbO3 波導(dǎo)截面示意圖Fig. 11 Schematic diagram of LiNbO3 waveguide section

5.2 BaTiO3 與硅光子集成

BaTiO3是一種很有希望與硅光子(Silicon Photonics，SiPh)平臺(tái)集成的材料。BaTiO3具有較高的泡克爾斯(Pockels)系數(shù)(在大體積形式中，LiNbO3的 Pockels 系數(shù)僅為－30 pm/V，而 BaTiO3提供了高的 Pockels 系數(shù)(＞1 000 pm/V))[48]，具備與硅襯底集成的可行性，并有高速調(diào)制的能力[49]。BaTiO3材料還具有化學(xué)熱穩(wěn)定性[50]、可集成、低損耗[51]等優(yōu)點(diǎn)。目前，Si/BaTiO3混合技術(shù)已取得了一些進(jìn)展，包括低傳輸損耗的無源結(jié)構(gòu)、有源光開關(guān)[49]以及在光子器件中[52-53]的高速調(diào)制等。

2018 年，瑞士 IBM 研究所 Eltes 的研究小組設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底的 BaTiO3電光器件[53]。通過實(shí)驗(yàn)仿真，證實(shí)了在 Si/BaTiO3電光器件中存在 Pockels 效應(yīng)，該小組還證實(shí)了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以采用 BaTiO3的 Pockels 系數(shù)(r42＝923 pm/V)來復(fù)現(xiàn)，且所采用的 Pockels 系數(shù)是截至 2018 年所報(bào)道的 Si/BaTiO3電光器件中的最高值。Si/BaTiO3移相器的橫截面如圖 12 所示，其中，BaTiO3層厚度為 225 nm，二氧化硅層厚度為2 μm。首先，將 BaTiO3沉積在具有 100 nm 厚 Si層的 SOI 晶片上；其次，通過直接晶圓鍵合將BaTiO3和器件硅層轉(zhuǎn)移到另一個(gè)具有厚熱氧化物的硅片上；最后，在移除施主晶圓后，將硅層圖案化為波導(dǎo)。其中，退火步驟確保了器件具有低的傳輸損耗。移相器是通過沿波導(dǎo)制作電極來施加平面內(nèi)電場(chǎng)形成的。當(dāng) BaTiO3層以外延方式沉積時(shí)，器件的電光響應(yīng)強(qiáng)烈依賴于外加電場(chǎng)、光場(chǎng)和晶體軸的相對(duì)方向。鈦酸鋇材料的這種各向異性是 Pockels 效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵特征，在以往的 Si/BaTiO3光子器件中還未被證實(shí)。為了探究這種各向異性，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種不同的波導(dǎo)幾何形狀，并最終得到超過 25 GHz 的強(qiáng)電光響應(yīng)，展現(xiàn)出了其高速調(diào)制的巨大潛力。

圖12 Si/BaTiO3 移相器的橫截面圖Fig. 12 Cross section of Si/BaTiO3 phase shifter

5.3 有機(jī)光電材料與硅光子集成

2020 年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院 Kieninger的課題組演示了一種高效的硅有機(jī)混合體(Silicon-Organic Hybrid，SOH)MZ 調(diào)制器[54]，該調(diào)制器是在新加坡 A*Star 微電子研究所(IME)200 mm 厚的 SOI 晶片上用紫外光刻制而成的。MZ 調(diào)制器的兩臂各包含 280 μm 長的移相器，因此所制成的調(diào)制器面積小。移相器的插入損耗僅為 0.7 dB，這是迄今為止 SiPh 平臺(tái)上高速 MZ 調(diào)制器所報(bào)告的最低移相器損耗。移相器截面示意圖如圖 13 所示，波導(dǎo)由兩條寬度Wrail＝240 nm、高度為 220 nm 的硅軌構(gòu)成，再由一條寬度Wslot＝130 nm 的狹縫從中隔開，兩條硅軌通過高度為70 nm 的 N 摻雜硅板層與底部金屬層的 GSG 傳輸線電連接，2 μm 厚的埋氧層將波導(dǎo)與硅基板分離。3 μm 厚的二氧化硅包層覆蓋整個(gè)芯片，并在移相器上方選擇性打開，用來沉積高效的有機(jī)光電(OEO)材料[55]。

圖13 移相器截面示意圖Fig. 13 Section diagram of phase shifter

表 4 為近年來基于鐵電材料與有機(jī)光電材料的調(diào)制器性能參數(shù)。對(duì)表 4 數(shù)據(jù)分析可得，與其他 Pockels 調(diào)制器相比，有機(jī)電光調(diào)制器具有較好的調(diào)制效率，Kieninger 等[56]所提出調(diào)制器的最低調(diào)制速率為 0.032 V·cm，且能耗明顯低于混合 Si/LiNbO3電光調(diào)制器?；旌?Si/BaTiO3電光調(diào)制器的調(diào)制效率要優(yōu)于混合 Si/LiNbO3電光調(diào)制器，主要是因?yàn)?LiNbO3的 Pockels 系數(shù)要遠(yuǎn)小于 BaTiO3，而 Pockels 系數(shù)越大，器件的調(diào)制效率就越好。

表4 調(diào)制器性能參數(shù)Table 4 Modulator performance parameters

6 III-V 族材料

III-V 族材料與 SiPh 平臺(tái)的集成是一個(gè)成熟的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗鼮榧す庠磁c硅光子的集成提供了一條可行的途徑[58-60]。直接鍵合[58]、BCB輔助粘合劑鍵合[59]、III-V/Si 倒裝芯片鍵合[60]是III-V/Si 集成的一些成熟的鍵合機(jī)制。III-V 與先進(jìn)的 SiPh 平臺(tái)集成已經(jīng)被演示[61]。盡管 Si 和III-V 族材料之間存在很大的晶格失配，但也有III-V 在 Si 上的外延生長，III-V 族材料在 Si 上的集成也為實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制器提供了一條途徑[62]，因?yàn)?III-V 族材料提供了較大的電子誘導(dǎo)折射率變化、高電子遷移率和低載流子等離子體吸收[63]。

2020 年，日本東京大學(xué) Li 的課題組提出了一種具有反偏 III-V/Si 混合金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)光學(xué)移相器的高效光學(xué)調(diào)制器[64]。該調(diào)制器是基于 FK 效應(yīng)和載流子耗盡的 III-V/Si 混合 MOS 光調(diào)制器。通過將這兩種效應(yīng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了與正偏 III-V/Si混合 MOS 光調(diào)制器相同的調(diào)制效率，以及較大的調(diào)制帶寬和較小的能耗。圖 14 為反偏 III-V/Si混合 MOS 光調(diào)制器示意圖，該調(diào)制器是將 P 型Si 波導(dǎo)的頂部和一個(gè)薄的 N 型 InGaAsP 膜相連。其中，脊波導(dǎo)寬度為 1 μm，厚度為 220 nm，在Si 波導(dǎo)上的 InGaAsP 層厚度為 200 nm。通過實(shí)驗(yàn)仿真分析，反向偏置的 III-V/Si 混合 MOS 光調(diào)制器的調(diào)制效率為 0.12 V·cm，其電容為正向偏置情況下所需的一半，且所提出的 III-V/Si 混合MOS 光調(diào)制器有望達(dá)到超過 100 GHz 的帶寬，能耗低于 100 fJ/bit。

圖14 反偏 III-V/Si 混合 MOS 光調(diào)制器示意圖Fig. 14 Schematic diagram of reverse bias III-V/Si hybrid MOS optical modulator

7 基于石墨烯材料的調(diào)制器

石墨烯是二維碳的同素異形體，在其固有狀態(tài)下可吸收光的帶寬范圍從紫外到遠(yuǎn)紅外線。然而，在摻雜石墨烯中，通過狀態(tài)填充和相應(yīng)的泡利阻塞可以有效地減少吸收，特別是在紅外頻率下。石墨烯即使只有一個(gè)原子層，也能吸收2.3% 正常入射的紫外線和可見光[65]。這個(gè)普遍的吸收系數(shù)是由于狄拉克費(fèi)米子獨(dú)有的線性和無隙帶色散[66]。盡管這種吸收很小，但利用石墨烯的各向異性的吸收特性以及由此產(chǎn)生熱電子的新型無源光電子技術(shù)(包括鎖模激光器、偏振器和光電探測(cè)器在內(nèi))已經(jīng)得到了驗(yàn)證[67-70]。

7.1 單層石墨烯結(jié)構(gòu)

2018 年，比利時(shí)根特大學(xué) Alessandri 的課題組制作并仿真了速度為 20 Gb/s 的單層石墨烯-硅電吸收調(diào)制器[14]。調(diào)制器采用石墨烯-氧化物-硅(Graphene-Oxide-Silicon，GOS)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)位于嵌入在 SiO2中的平面化摻雜 Si 波導(dǎo)之上。該調(diào)制器在 1 520～1 590 nm 波長范圍內(nèi)和零偏壓下，具有 4.4 dB 消光比和 16.0 GHz 的 3 dB 帶寬。單層石墨烯電吸收調(diào)制器示意圖與等效電路模型如圖 15 所示，該設(shè)備運(yùn)行速度為 20 Gb/s，當(dāng)施加2.5 V 電壓時(shí)，測(cè)得的動(dòng)態(tài)消光比為 1.8 dB。

圖15 單層石墨烯電吸收調(diào)制器的示意圖與等效電路模型Fig. 15 Equivalent electrical model of the monolayer graphene electro absorption modulator

由于環(huán)境和聚合物污染，未鈍化的石墨烯[71]通常具有高濃度的 P 摻雜。當(dāng)石墨烯和 Si 接觸，并在 GOS 電容上施加電場(chǎng)時(shí)，石墨烯中性點(diǎn)會(huì)向負(fù)偏壓方向偏移，從而導(dǎo)致低正偏置下具有低電阻。從電光角度來看，石墨烯上的 P 摻雜也具有優(yōu)勢(shì)。在 P 摻雜的石墨烯中，光透射的最小值向負(fù)偏壓方向偏移。因此，在大約 0 V 到較低的正偏置(2 V)范圍內(nèi)，會(huì)發(fā)生 on 和 off 狀態(tài)之間的切換，而不是高的正向偏置或反向偏置。為了在低正向偏壓下降低石墨烯電吸收調(diào)制器的電容，可以使用 P 摻雜 Si 波導(dǎo)。GOS 電容器在負(fù)直流偏置下進(jìn)行累積工作，并在低正向直流偏置時(shí)切換到耗盡狀態(tài)，從而使石墨烯電吸收調(diào)制器工作區(qū)域的電容更低。為了優(yōu)化電阻和電容之間的平衡，并使 RC 常數(shù)最大化，通過優(yōu)化 Si 波導(dǎo)和接觸板的摻雜水平，可進(jìn)一步改進(jìn)該器件。

7.2 雙層石墨烯結(jié)構(gòu)

圖16 雙層石墨烯光調(diào)制器示意圖Fig. 16 Schematic diagram of double layer graphene light modulator

表 5 為近年來基于不同結(jié)構(gòu)的石墨烯光子調(diào)制器的性能參數(shù)。由表 5 可知，雙層石墨烯調(diào)制器的 3 dB 帶寬明顯高于單層石墨烯調(diào)制器，且雙層石墨烯調(diào)制器的消光比明顯高于單層石墨烯調(diào)制器。由于高的寬帶是石墨烯材料重要的優(yōu)勢(shì)之一，所以隨著石墨烯層數(shù)的增加，其 3 dB 帶寬也會(huì)隨之變大。對(duì)于相同調(diào)制結(jié)構(gòu)的單層石墨烯調(diào)制器，器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，器件的性能也有所差別。

表5 調(diào)制器性能參數(shù)Table 5 Modulator performance parameters

8 結(jié) 論

基于 Si、Ge 的 FK 效應(yīng)或量子限制斯塔克效應(yīng)所制成的電吸收調(diào)制器，其器件尺寸可以達(dá)到微米級(jí)別，F(xiàn)K-電吸收調(diào)制器提供了 100 Gb/s的調(diào)制速率，但這些調(diào)制器的消光比和光學(xué)帶寬十分有限。LiNbO3、BaTiO3、石墨烯和有機(jī)薄膜具有較高的 Pockels 系數(shù)，為線性和無啁啾高性能的 SiPh 調(diào)制器鋪平了道路。早期研究結(jié)果表明，將 LiNbO3、BaTiO3材料集成在 Si 上可以獲得良好的性能，有機(jī)光電材料在 Si 上的集成也達(dá)到了 100 Gb/s 的調(diào)制速率和較高調(diào)制效率。據(jù)報(bào)道，在解決器件壽命方面也取得了長足進(jìn)展，但在有機(jī)電光材料的高速調(diào)制器商業(yè)化之前，需要進(jìn)行更多的研究與發(fā)展。將 III-V 族材料與 Si結(jié)合，可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn) MOS 型相位調(diào)制器和電吸收調(diào)制器。在 MOS 型光調(diào)制器中，調(diào)制帶寬和能耗存在一種相互制衡的關(guān)系。而高調(diào)制帶寬需要 MOS 結(jié)中具有較小的電容，但是這會(huì)限制調(diào)制效率，增大驅(qū)動(dòng)電壓，導(dǎo)致能耗過高。由于石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和二維特性，在該材料中尚未發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的 EA 效應(yīng)，這意味著石墨烯有作為電吸收調(diào)制器活性介質(zhì)的潛力。然而，單層石墨烯調(diào)制器所面臨的挑戰(zhàn)之一是單層的石墨烯對(duì)光的吸收有限?？赏ㄟ^將石墨烯與光波導(dǎo)集成來解決該問題，光波導(dǎo)通過倏逝波與石墨烯之間的耦合大大增加了相互作用的長度。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，多層石墨烯的調(diào)制器在一些重要性能參數(shù)上要明顯優(yōu)于單層石墨烯的調(diào)制器。

本文主要圍繞硅基光子調(diào)制器，對(duì)近年來國內(nèi)外一些調(diào)制器件的研究成果進(jìn)行了陳述，對(duì)不同材料的光子調(diào)制器進(jìn)行了研究與分析，對(duì)采用相同材料的調(diào)制器性能差異進(jìn)行了對(duì)比。光子調(diào)制器作為光纖通信系統(tǒng)的核心器件，實(shí)現(xiàn)其高調(diào)制速率、低驅(qū)動(dòng)電壓以及低插入損耗，仍是目前需要解決的問題。近年來，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的基于 SOI 材料、Ge 材料、SiGe 材料、鐵電材料、有機(jī)光電材料、III-V 族材料以及新型二維材料石墨烯調(diào)制器的研究，可實(shí)現(xiàn)器件的高速調(diào)制以及獲得更低的插入損耗，為未來繼續(xù)發(fā)展高速率、低損耗的光子調(diào)制器提供了思路，也為其他光子器件的研發(fā)提供了技術(shù)參考。由于硅光子技術(shù)的發(fā)展，全球范圍內(nèi)涌現(xiàn)出了很多高性能的調(diào)制器，而采用傳統(tǒng)硅材料的調(diào)制器已經(jīng)不能滿足日益快速發(fā)展的光通信技術(shù)以及光互連技術(shù)，基于其他材料及結(jié)構(gòu)的調(diào)制器必將不斷出現(xiàn)，同時(shí)，現(xiàn)有器件與制造工藝的兼容性也將不斷提高。