基于绝缘体上铌酸锂工艺平台的集成电光器件

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-8-28 08:00:00

简介
铌酸锂（LN）因其强大的电光（EO）效应而受青睐，使其成为光调制器和其他光电子器件的理想材料。然而，基于块状晶体或弱约束波导的传统LN器件存在占地面积大、功率要求高等问题。新兴的绝缘体上铌酸锂（LNOI）光电子技术领域旨在通过将LN的优异电光特性与纳米级波导和谐振器相结合来克服这些限制。本文将探讨LNOI平台上的集成电光器件的最新进展，包括高Q值微谐振器、超快调制器和新型非线性光子器件 [1]。
LNOI微谐振器的电光调谐微环和微盘谐振器是集成光电子技术的关键组成部分。通过电光效应精确调整其谐振频率的能力使LNOI成为可重构器件的有吸引力的平台 [2]。
Guarino等人2007年的早期工作证明了LNOI微环的电光调谐，效率为0.14 GHz/V [1]。该器件结构如图1所示：

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图1 LNOI微环的电光调谐近年，通过优化设计，性能得到了显著提升。2015年，Wang等人使用高Q值微圆盘谐振器实现了3.0 GHz/V的调谐效率。2020年，Fang等人通过直接在芯片上集成间隙较小的电极，将效率进一步提高到29.2 pm/V（3.6 GHz/V） [1]。
关键突破是开发了复杂的电极设计，以最大限度地提高外加电场与光学模式之间的重叠。图2展示了这种优化结构的示例：

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图2 高Q值微圆盘谐振器圆形电极将电场集中在微圆盘边缘，使其与光学回音走廊模式保持一致。这种设计实现了29.2 pm/V的调谐效率，创下了新纪录。
; L1 O- v5 e) X5 X高速LNOI调制器
光调制器是光纤通信和光子信息处理的关键组件。LNOI技术使调制器在速度、效率和紧凑性方面实现了优异的综合性能。
Wang等人于2018年展示了一种马赫-曾德干涉仪（MZI）调制器，该调制器能够以1.4 V的半波电压（V_π）实现100 Gbps的数据传输 [1]。该器件的结构如图3所示：

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图3 马赫-曾德干涉仪（MZI）调制器
与传统的LN调制器相比，紧密约束的脊波导允许较小的电极间隙，从而大大降低了驱动电压。行波电极设计确保了射频信号与光信号之间的速度匹配，从而实现了超宽带操作。
2019年，He等人基于混合Si/LN平台报告了一种类似的高性能调制器 [1]。他们的器件实现了100 Gbps的开关键控和112 Gbps的PAM-4调制，总插入损耗仅为2.5 dB。图4显示了眼图，证明了其高速性能：

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图4 混合Si/LN高性能调制器这些结果表明，LNOI调制器能够满足并超越下一代光通信系统的苛刻要求。
# p6 N- U8 L* F( T电光可调非线性光子器件LN的强χ（2）和χ（3）非线性，结合LNOI波导的高光学约束，可实现各种非线性光学器件。在这些组件中加入电光可调性，可大大增强其功能和可重构性。
光频率梳就是一个很好的例子。Wang等人展示了集成式梳状发生器，带有可调谐的插入/删除滤波器 [1]，如图5所示：

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图5 集成式梳状发生器梳状信号在色散工程微环中产生，可调谐滤波器则允许精确选择和调制单个梳状线。这使得诸如灵活的光波分复用等应用成为可能。
Fang等人进一步发展了这一概念，直接对光梳生成谐振器本身进行电光调谐。如图6所示，他们的设备能够连续调谐整个光梳光谱 [1]：

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图6 光梳生成谐振器集成微盘谐振器的电极可通过将外加电压从-500 V调到+500 V，在400 pm的范围内进行调谐。这为自适应和可重构光梳源开辟了新的可能性。
电光调谐还可以扩展到控制光机械系统中的机械模式。Fang等人展示了一种LNOI光机械谐振器，该谐振器带有用于调谐光学和机械共振的电极，如图7：

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图7 LNOI光机械谐振器该器件的光学Q因子为10^7，机械Q因子为2.86 x 10^8。施加每100 V电压，机械频率可调整-134 kHz。这实现了对光机械相互作用进行精确控制，可用于传感和量子信息处理。
基于光子晶体结构的器件虽然大多数LNOI器件使用环形或盘形谐振器，但光子晶体（PhC）结构能够提供更加紧凑的尺寸。胡等人展示了基于PhC纳米光束腔的EO调制器 [1]，如图8所示：

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图8 基于PhC纳米光束腔的EO调制器该器件的调制带宽达到17.5 GHz，电容仅为22 fF，能效极高。其紧凑的尺寸使其成为大规模光子集成电路的理想选择。
% v( y. t7 R/ X/ r1 `8 ?设计考虑因素和制造技术要实现LNOI电光器件的高性能，需要仔细优化多个参数：1.波导设计：横截面和材料层必须经过精心设计，以实现低损耗、适当的色散以及光场和射频场之间的良好重叠。
2.电极配置：电极的位置和几何形状应使有效电光系数最大化，同时使光损耗和电容最小化。
3.材料质量：具有最少晶体缺陷的高质量LN薄膜对于保持强大的电光系数重要。
4.制造工艺：必须优化蚀刻和金属化等技术，以生产低损耗波导和高性能电极。
LNOI设备的常见制造方法包括：光刻和干法蚀刻，用于波导定义
电子束光刻，用于高分辨率图案化
聚焦离子束铣削，用于微调结构
金属沉积和剥离用于电极制造

化学机械抛光等先进技术可以为超高Q值谐振器制造超光滑表面。
" d/ Q8 {+ ? T" Q4 f8 x' K未来展望LNOI电光器件取得了显著进展，但仍有很大的改进空间和新应用：1.进一步优化波导和电极设计，以突破调制效率和速度的限制。
2.集成有源增益材料，用于片上激光器和放大器。
3.探索新型器件概念，如稳态波集成傅里叶变换光谱仪。
4.利用LNOI的独特功能，开发大规模、完全集成的光子系统。
5.利用LN的强χ（2）非线性，研究光量子子技术的应用。

# H5 P- x+ V! K" K+ d9 f结论LNOI平台上的集成电光器件结合了LN的强电光效应和纳米光电子集成的优势，性能卓越。从超高效微环调制器到可重构频率梳源，这些元件在下一代光电子系统中发挥关键作用。随着制造技术的不断成熟和新器件概念的出现，LNOI技术在未来实现更强大、更通用的集成光电子芯片 [3]。
+ b+ v6 ~: h! w. `: ?0 c参考资料[1] Y. Cheng, "Lithium Niobate Nanophotonics," Jenny Stanford Publishing, 2021.[2] 南智光电, https://www.ioptee.com/article.html?id=510[3]逍遥科技, https://latitudeda.com/

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