近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称“上海微系统所”)欧欣研究员团队联合瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg教授团队和德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos教授团队，围绕薄膜钽酸锂(LiTaO3，LT)与氮化硅(Si3N4)光子芯片的晶圆级异质集成开展研究，构建出一种兼具低光学损耗和线性电光(Pockels)调制的新型光电平台。基于该平台，研究团队实现了高效、高速电光调制：调制效率达4.08 V·cm，电光响应3dB 带宽约为100 GHz；并进一步完成高速通信演示：强度调制(IMDD)下净信号传输速率达333 Gbit/s，相干IQ调制净信号传输速率达581 Gbit/s。该工作为现有氮化硅光子平台补齐了长期缺失的高速电光调制能力，也为面向高速互连、RF 光子与模拟信号处理的片上光学系统提供了可大规模化的新工艺路线。相关成果以“Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications”为题发表在国际学术期刊《自然·通信》(Nature Communications)上，上海微系统所为第一单位。
研究背景：
氮化硅光子芯片兼具低光学传播损耗、强非线性、高功率耐受性及CMOS 兼容等优势，已成为片上非线性光学、高效频率转换、行波光参量放大等方向的重要平台。但但受其材料本征限制，氮化硅本身不具备 Pockels 电光效应，因此现有的氮化硅基调制器通常依赖热光效应或声光效应，其在带宽及调制效率上容易遇到瓶颈。
为满足当下通信、光计算等应用场景对高效、高速、大带宽调制的需求，研究者往往需要薄膜铁电材料来构建相应的片上光学器件。目前主流电光平台包括薄膜铌酸锂(TFLN)和薄膜钽酸锂(TFLT)。过去常见的选择是薄膜铌酸锂(TFLN)，而薄膜钽酸锂(TFLT)在近年来备受关注：这是因为在保留相当电光系数的同时，薄膜钽酸锂在高功率器件稳定性、双折射、光损伤阈值、光折变等方面更具优势。此外，薄膜钽酸锂在 5G/6G 射频滤波器中的产业化应用带来了更完整的光学级基底供应链，进一步提升了其工程化吸引力。
基于上述背景，如何把氮化硅波导的低损耗优势与薄膜钽酸锂的高速电光效应结合起来，并实现晶圆级、可重复、大批量的制造，成为当前的研究热点之一。
研究亮点：
依托研究团队开发的氮化硅光子大马士革工艺与晶圆键合技术，本工作实现了4英寸 LT-on-Si3N4异质晶圆。如图1b所示，在深紫外光刻(DUV)定义的 9 个主要写场中，大规模转移的钽酸锂薄膜完整率接近 100%。通过微环型谐振器表征可知，该异质混合波导的光损耗约14.2 dB/m，该值显著优于同类型集成方案。
本工作中的电光调制器采用由薄膜钽酸锂和氮化硅波导组成的马赫-曾德尔调制器(MZM，图2a)。从SEM观察到的异质波导横截面及对应的有限元仿真可见，该异质混合波导光模能量在LT薄膜中的分布约为48%，表明光学约束良好和有效的电场-光场重叠。器件测试结果显示其半波电压为6 V；电光响应S21曲线具有优异的宽带平坦度，3 dB 带宽接近100 GHz，同时回波损耗小于-15 dB，充分证明了器件良好的速度匹配和阻抗匹配。
此外，该器件所展现的DC偏置稳定性也是本工作的一大亮点。对于多通道信号传输、光计算等系统级应用，DC 偏置漂移会导致直接引起输出功率波动，进而增加控制开销并影响系统的长期稳定运行。在采用光子芯片封装以降低耦合漂移干扰的前提下，研究团队监视了该调制器在正交相位工作点的输出强度，结果显示一小时内功率漂移小于 0.5 dB(图2e)，这得益于异质集成波导结构中未刻蚀的钽酸锂薄膜：该策略有助于减弱刻蚀过程中引入的光折变效应，从而带来更好的器件稳定性。
在高速信号传输实验中，研究团队使用PAM4 信号编码在 144–200 GBd 范围对强度调制器进行测试，并基于 GMI/NGMI 评估可实现的净数据传输速率，其中192 GBd PAM4 对应净速率最高 333 Gbit/s。进一步地，该异质平台也支持相干IQ调制，对应的相干光调制器由两条MZM 组成，通过热光移相器获得可长时间稳定的90° 相位差，并利用两个调制通道完成QPSK/16QAM等信号格式的传输演示，最终可实现的最高净速率达到 581 Gbit/s。上述指标刷新了同类平台的最高信号传输速率记录。
作者信息：
中国科学院上海微系统所博士研究生蔡佳辰，卡尔斯鲁厄理工学院博士生Alexander Kotz和洛桑联邦理工学院博士后Hugo Larocque为本论文的共同第一作者，中国科学院上海微系统所欧欣研究员，洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg教授和卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos教授为本论文的共同论文通讯作者。
