可与硅基光电子工艺平台集成的新型材料

逍遥设计自动化

引言
- }" J) g8 }' P* X. s: N硅基光电子技术已成为集成光电子线路平台，利用半导体行业成熟的制造工艺。然而，硅的材料特性对主动光电子功能施加了一些限制。本文探讨了可与硅集成的新型材料，以实现下一代光电子集成芯片的电光调制和非线性光学效应。

6 z' t9 M- ^. ^9 w5 V' L钛酸钡用于电光调制
0 J8 V, F, h( c9 N) U  g钛酸钡（BaTiO3或BTO）是一种具有大电光系数的铁电材料，适用于高速、低功耗光调制器。BTO可以外延生长在硅绝缘体（SOI）衬底上，创建硅-BTO混合光电子器件。

4 @4 y3 w/ A1 _BTO调制器的基本结构如图1所示：
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1 }1 u! p" @0 b, z7 i& U图1：基于SOI的BTO调制器布局，采用水平槽波导结构。
1 J* Y) I' ]) U" c
) h# R9 ?2 X" i2 l该调制器利用水平槽波导几何结构，BTO层夹在硅层之间。这种结构将光模式集中在BTO层中，以实现与金电极施加的调制电场最大重叠。

BTO调制器的关键设计考虑包括：

优化波导尺寸，实现低传播损耗和BTO层中的高限制。

通过适当的间距最小化金属电极的吸收损耗。

实现光场和射频场之间的相位匹配，以实现高效调制。

将施加的电场与BTO晶体取向对齐，以最大化电光效应。
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, Y: R) ?+ u$ E8 r图2显示了电场分布和有效折射率变化的模拟结果：
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图2：（a） 模拟的静电势分布。（b） 有效折射率随施加电压的线性变化。

实验结果表明，BTO调制器的有效电光系数高达100 pm/V，电压-长度乘积低至2 V·cm，显示出低功耗、紧凑器件的潜力。

氮化镓用于非线性光学
氮化镓（GaN）是一种具有非中心对称晶体结构的宽禁带半导体，能够实现二阶非线性光学效应。GaN可以键合到氧化物包覆的硅衬底上，创建GaN-on-insulator（GaNOI）光线路。
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* a$ E+ m4 u9 |: Z0 r; Y图3显示了制造的GaN波导和谐振器：

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图3：（a） GaN-on-insulator波导横截面的扫描电子显微镜图像。（b，c） GaN微环谐振器的传输谱，显示高Q因子。

GaN的非中心对称结构允许在红外光泵浦下进行高效的二次谐波产生（SHG）。图4展示了GaN微环谐振器中的可见光产生：
1 ^4 z4 ~5 V& J. K. V1 U. z( f7 e( l

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. S+ w8 Q% H" C- s4 k- s  y图4：（a） GaN微环中SHG的CCD图像。（b） 确认SHG的二次方功率依赖关系。（c） 观察到的三次谐波产生。（d） 三次谐波的三次方功率依赖关系。
) U. c) D6 a, G, n/ m- r% ]
$ c3 t7 O$ }; @通过适当设计波导尺寸，可以实现基频和二次谐波模式之间的相位匹配，以最大化转换效率。微环腔中的共振增强进一步提高了非线性相互作用。
2 K; m: \9 K: |# W0 v" V: B2 v8 d* W
* `6 c: N7 U/ Q9 ~; s! A* \氮化铝用于集成光电子
氮化铝（AlN）在集成光电子方面具有几个优势：

宽禁带（6.2 eV），允许从紫外到红外的操作

大二阶非线性，用于电光效应

高热导率和低热光系数

CMOS兼容的溅射沉积工艺
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AlN可以直接沉积在氧化物包覆的硅上，创建高质量的光线路。图5显示了AlN-on-insulator波导和谐振器：
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图5：（a） AlN-on-insulator波导的扫描电子显微镜图像。（b，c） AlN微环的传输谱，显示Q因子超过100，000。
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- j7 x: I& a0 t# L$ L; W溅射AlN的高光学质量使得波导传播损耗低至0.6 dB/cm。

通过利用AlN的固有Pockels效应，可以实现电光调制器。图6显示了AlN微环调制器的设计：
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- I9 ?5 C6 A8 b- e9 E图6：（a） AlN波导中光学模式和射频场重叠的模拟。（b） 电极设计优化，以实现AlN中的最大场强。

实验结果证明，使用低驱动电压可实现高达4.5 Gbps的调制速度，如图7的眼图所示：
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' e! v5 v/ q; A+ m图7：（a） AlN微环调制器的光学显微镜图像。（b） 施加电压时的共振调谐。（c） 4.5 Gbps眼图。
% ]* P: M. F4 Q- q* @4 z/ F1 p
: V5 P  O' Y4 l+ F7 P/ S2 d& i4 GAlN还能实现光子晶体结构，增强光物质相互作用。图8显示了二维AlN光子晶体的设计：

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: }$ ~, q% v4 G2 i  q图8：（a，c） 2D AlN光子晶体和线缺陷波导的示意图。（b，d） 相应的光子能带图。

0 |( U8 A8 n2 [0 l7 d7 C: s这些结构可以产生慢光效应，增强非线性相互作用。图9展示了AlN光子晶体波导中群折射率增加的实验测量：

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! Q. Z, _- x- m/ Z9 n* A9 ^0 L图9：（a，b） AlN光子晶体波导的传输谱，显示在带边附近群折射率增加7倍。

一维光子晶体腔也可以在悬浮的AlN纳米梁中实现，如图10所示：
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+ c0 K7 V  L1 V" W3 F4 E' s

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5 N( L/ |) z8 T: d' w图10：（a） 1D AlN光子晶体腔的设计。（b） 制造工艺流程。（c-e） 制造的器件的光学和扫描电子显微镜图像。
( @% C( I0 @1 O
% y3 a' h; P! R0 B这些腔可以在保持小模式体积的同时实现超高品质因子。图11显示了腔共振的实验表征：

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图11：（a） 模拟的腔模式剖面。（b） 测量的传输谱，显示Q因子为85，000。（c） 腔线宽与耦合间隙的关系。
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通过优化腔设计，实验上已经证明Q因子高达146，000。通过改变腔长度可以调谐共振波长，如图12所示：

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( l; [! A5 O: R* B图12：（a） 测量的Q因子与腔长度的关系。（b） 共振波长随腔长度的调谐。

结论
7 M2 ~4 M2 N" E9 ABTO、GaN和AlN等新型材料可以为硅基光电子技术增加关键的主动功能：
; P+ B7 ^. d7 i, x9 W, xBTO通过Pockels效应实现高效的电光调制
* c7 ~& X3 V9 P1 y3 j( k) NGaN提供强二阶非线性，用于频率转换
AlN为线性和非线性集成光电子技术提供多功能的CMOS兼容平台
; b5 O7 j# _' T- Q1 e
6 U' g3 H7 F" D这些材料系统为跨越可见光到红外波长的高性能光电子集成芯片开辟了新的可能性，继续开发混合和异质集成技术将是在实际器件和系统中利用其独特特性的关键。

* U. z, |' F- ]8 u( g7 Z8 r& w' c参考文献
) o6 K$ A& B: @# S8 @2 P[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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