基于狹縫結(jié)構(gòu)的異質(zhì)集成薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器

李曉蔚

(江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122)

1 概述

隨著光通信技術(shù)的進(jìn)步，電光調(diào)制器(Electro-optic modulator，EOM)已成為現(xiàn)代光纖通信、微波光子系統(tǒng)、量子光子學(xué)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的關(guān)鍵組件[1,2]。目前報(bào)道的EOM 主要基于磷化銦[3]，電光聚合物[4]，摻雜硅[5]和鈮酸鋰[6]等材料。近來，鈮酸鋰單晶薄膜(lithium niobate on insulator，LNOI)已經(jīng)通過離子切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并成功進(jìn)行了商業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用[7,8]。

最近在LNOI 平臺上報(bào)道的多種EOM，低半波電壓長度乘積(VπL)，大調(diào)制帶寬，低損耗和小尺寸是器件研究所追求的目標(biāo)[9-11]。通過分析這些器件方案，我們可以將它們大致分為兩種：一種是蝕刻LNOI 晶圓以形成脊波導(dǎo)[9]，另一種是將其它波導(dǎo)材料(例如，硅[10]，氮化硅[11])沉積在無蝕刻的LNOI 的頂部或下方以構(gòu)成異質(zhì)集成型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前，基于LNOI 的EOM 大致可以將VπL 降至＞2 V·cm[9-11]。

本文提出了一種異質(zhì)集成型EOM，其中光波導(dǎo)由嵌入薄膜鈮酸鋰中的兩條倒置梯形硅納米線及其形成的狹縫所構(gòu)成。由于硅和鈮酸鋰之間的折射率差相對較大(～1.3)，光模場將更多地限制在狹縫區(qū)域，有助于減小模場面積。通過器件設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，所獲得的EOM 半波電壓長度積為VπL=1.88 V·cm。隨后優(yōu)化傳統(tǒng)的共面電極結(jié)構(gòu)，在原先的電極中間通過SiO2支撐起來一組新的電容電極，形成基底和頂部的雙電容電極結(jié)構(gòu)。最終將VπL 低至1.35 V·cm。希望本文所述的器件設(shè)計(jì)方案能夠夠促進(jìn)高性能、小尺寸EOM 的快速發(fā)展。

2 裝置結(jié)構(gòu)及原理

圖1 顯示了我們提出的EOM 在600 nm 厚的X-cut LNOI 晶圓上的示意圖，埋層SiO2厚度為3 μm，其中調(diào)制波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使用狹縫波導(dǎo)，而不是一些通常使用的脊?fàn)頛NOI 波導(dǎo)或無蝕刻LNOI 波導(dǎo)[9-11]。為了使狹縫波導(dǎo)的增強(qiáng)電場與鈮酸鋰材料更好地相互作用，我們通過鈮酸鋰蝕刻和多晶硅沉積將高折射率硅納米線嵌入到薄膜鈮酸鋰中。由于LNOI 晶圓蝕刻具有一定的難度，其蝕刻側(cè)壁在目前的制造工藝下變得傾斜[7-9]。所以將硅納米線厚度，寬度，狹縫寬和傾斜角的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別標(biāo)記為hsi,W，Wslot和θ(=60°)，如圖1(b)所示，其中W 和Wslot在薄膜鈮酸鋰的頂部測量。同時，地極-信號極-地極(ground-signal-ground，G-S-G)結(jié)構(gòu)的調(diào)制電極及優(yōu)化后的雙電容電極分別如圖1(b)(c)所示，標(biāo)記為信號電極寬度WS、接地電極寬度WG、主電極厚度hAu、電極間距ggs和電極長度L，薄電極寬度和厚度分別用WA、hA表示。在電極間隙擁有通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法沉積的SiO2包層。

圖1 (a)所提出的硅和鈮酸鋰異質(zhì)集成EOM 的原理圖，(b)(c)分別是電極優(yōu)化前后的調(diào)制區(qū)域的橫截面圖，材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)皆在圖中標(biāo)出

器件的工作原理說明如下：首先，當(dāng)波長為1550nm 的TE 模式光輸入之后，通過功率分配器均勻地分成兩束相位、強(qiáng)度相同的光，然后通過strip-to-slot 模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)入馬赫-曾德爾干涉儀。經(jīng)由調(diào)制區(qū)調(diào)制后，兩束光將累積相位差，并在合束器處相長或相消。最后，輸出光的強(qiáng)度將揭示光調(diào)制后的相位偏移，并且這種偏移與調(diào)制區(qū)域施加的電壓密切相關(guān)。

3 結(jié)果和討論

為了確定所提出的EOM 在調(diào)制區(qū)域內(nèi)具有最佳性能的狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，我們需要保證VπL 處于最低值。VπL 的定義表示為[12]

其中λ 是入射光的波長(λ=1.55 m)，ng是光學(xué)群折射率，ne是鈮酸鋰的異常光折射率，r33是電光系數(shù)(r33=30.8 pm/V[7,8])，Г 是電光重疊積分因子。

接下來，我們進(jìn)行狹縫波導(dǎo)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以獲得低VπL。圖2 表明VπL 是與硅納米線厚度hSi，寬度W 以及狹縫寬度Wslot相關(guān)的函數(shù)，其中電極間距寬度ggs設(shè)置為6 μm，電極厚度hAu設(shè)置為1 μm。從圖2(a)可以看出，VπL 隨著Wslot的增加和hSi的降低而降低，其中最低值在計(jì)算范圍內(nèi)可以小于1.8 V·cm。從圖2(b)可以看出，VπL 隨著W 和hSi的降低而降低，其中最低值可以降低到～1.6 V·cm，這對于實(shí)現(xiàn)片上低功耗設(shè)計(jì)是非常有益[8]。此外，我們還繪制了施加電壓后的光模場和靜電場的分布，如圖2 的插圖所示。但是當(dāng)W 和hSi降低到一定程度之后，模式限制效應(yīng)明顯降低，導(dǎo)致光模場面積增加，狹縫優(yōu)勢消失，如圖2(b)的插圖所示。所以綜合考慮光模場分布和VπL 之后，我們在接下來的分析選擇Wslot=200 nm，hsi=200 nm，W=330 nm 的狹縫波導(dǎo)參數(shù)，獲得的VπL 僅為1.88 V·cm 且模場面積也非常小，在圖2(a)的插頁所示的狹縫中電場明顯增強(qiáng)。

圖2 (a)(b)分別表示VπL 作為受硅納米線厚度hSi 和槽寬Wslot、硅納米線寬度W 影響的函數(shù)折線圖，其中插圖顯示了在施加的1V 電壓下，標(biāo)注位置的光學(xué)模式和靜電場的電場圖案

但是，將VπL 降低為1.88 V·cm 絕不是本結(jié)構(gòu)的極限。如圖1(c)所示，我們設(shè)計(jì)了一種新型的金屬電容層來包圍波導(dǎo)，形成包含原本主電極和新增薄電極的雙電容電極結(jié)構(gòu)。在相同的電壓作用下，雙電容電極產(chǎn)生的電場比單純的共面結(jié)構(gòu)強(qiáng)得多?；诖嗽?，我們對薄電極不同的WA和hA進(jìn)行參數(shù)掃描，得出多條關(guān)于VπL 的曲線如圖3(a)所示。但是對于EOM 應(yīng)用來說，電極的光損耗(αop)也是除調(diào)制性能之外的重要參數(shù)，我們應(yīng)該為EOM 設(shè)計(jì)可接受光損耗的上限。將調(diào)制區(qū)域中的光損耗αop限值設(shè)置為0.01 dB/cm，這保證了電極的光損耗不會成為整個器件的主要限制因素。將圖3(a) 中各電極寬度下器件光損耗低于0.01 dB/cm 的最大WA點(diǎn)在圖3(b)中一一標(biāo)出，可以找到此結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)的VπL 極值。不難看出各種厚度的電極，在保證低電極光損耗的前提下，VπL 都穩(wěn)定在1.35 V·cm 附近，這也是本結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的最低的VπL。

圖3 (a)(b)分別是αop 和VπL 作為受薄電極厚度hA、寬度WA 影響的函數(shù)折線圖。在αop 小于0.01dB/cm 的情況下，VπL 穩(wěn)定在1.35V·cm 附近

4 結(jié)論

綜上所述，我們提出了一種硅和鈮酸鋰異質(zhì)集成的EOM方案。與之前報(bào)道的調(diào)制波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，我們通過將硅納米線嵌入薄膜鈮酸鋰來形成場增強(qiáng)型槽波導(dǎo)。使用這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以有效將VπL 降至1.88 V·cm。此外，如果EOM 需要更低的功耗，可以通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)形成雙電容電極，將VπL 進(jìn)一步降低到1.35 V·cm。我們相信這種場增強(qiáng)型槽結(jié)構(gòu)及雙電容電極結(jié)構(gòu)可以為EOM 的研發(fā)帶來更多好處，并為基于LNOI 的EOM 激發(fā)新的應(yīng)用。