基于狭缝结构的异质集成薄膜铌酸锂电光调制器

李晓蔚

(江南大学，江苏 无锡 214122)

1 概述

随着光通信技术的进步，电光调制器(Electro-optic modulator，EOM)已成为现代光纤通信、微波光子系统、量子光子学和数据中心应用的关键组件[1,2]。目前报道的EOM 主要基于磷化铟[3]，电光聚合物[4]，掺杂硅[5]和铌酸锂[6]等材料。近来，铌酸锂单晶薄膜(lithium niobate on insulator，LNOI)已经通过离子切片技术实现，并成功进行了商业化生产与应用[7,8]。

最近在LNOI 平台上报道的多种EOM，低半波电压长度乘积(VπL)，大调制带宽，低损耗和小尺寸是器件研究所追求的目标[9-11]。通过分析这些器件方案，我们可以将它们大致分为两种：一种是蚀刻LNOI 晶圆以形成脊波导[9]，另一种是将其它波导材料(例如，硅[10]，氮化硅[11])沉积在无蚀刻的LNOI 的顶部或下方以构成异质集成型波导结构。目前，基于LNOI 的EOM 大致可以将VπL 降至＞2 V·cm[9-11]。

本文提出了一种异质集成型EOM，其中光波导由嵌入薄膜铌酸锂中的两条倒置梯形硅纳米线及其形成的狭缝所构成。由于硅和铌酸锂之间的折射率差相对较大(～1.3)，光模场将更多地限制在狭缝区域，有助于减小模场面积。通过器件设计和参数优化，所获得的EOM 半波电压长度积为VπL=1.88 V·cm。随后优化传统的共面电极结构，在原先的电极中间通过SiO2支撑起来一组新的电容电极，形成基底和顶部的双电容电极结构。最终将VπL 低至1.35 V·cm。希望本文所述的器件设计方案能够够促进高性能、小尺寸EOM 的快速发展。

2 装置结构及原理

图1 显示了我们提出的EOM 在600 nm 厚的X-cut LNOI 晶圆上的示意图，埋层SiO2厚度为3 μm，其中调制波导结构使用狭缝波导，而不是一些通常使用的脊状LNOI 波导或无蚀刻LNOI 波导[9-11]。为了使狭缝波导的增强电场与铌酸锂材料更好地相互作用，我们通过铌酸锂蚀刻和多晶硅沉积将高折射率硅纳米线嵌入到薄膜铌酸锂中。由于LNOI 晶圆蚀刻具有一定的难度，其蚀刻侧壁在目前的制造工艺下变得倾斜[7-9]。所以将硅纳米线厚度，宽度，狭缝宽和倾斜角的结构参数分别标记为hsi,W，Wslot和θ(=60°)，如图1(b)所示，其中W 和Wslot在薄膜铌酸锂的顶部测量。同时，地极-信号极-地极(ground-signal-ground，G-S-G)结构的调制电极及优化后的双电容电极分别如图1(b)(c)所示，标记为信号电极宽度WS、接地电极宽度WG、主电极厚度hAu、电极间距ggs和电极长度L，薄电极宽度和厚度分别用WA、hA表示。在电极间隙拥有通过等离子体增强化学气相沉积法沉积的SiO2包层。

图1 (a)所提出的硅和铌酸锂异质集成EOM 的原理图，(b)(c)分别是电极优化前后的调制区域的横截面图，材料和结构参数皆在图中标出

器件的工作原理说明如下：首先，当波长为1550nm 的TE 模式光输入之后，通过功率分配器均匀地分成两束相位、强度相同的光，然后通过strip-to-slot 模式转换器进入马赫-曾德尔干涉仪。经由调制区调制后，两束光将累积相位差，并在合束器处相长或相消。最后，输出光的强度将揭示光调制后的相位偏移，并且这种偏移与调制区域施加的电压密切相关。

3 结果和讨论

为了确定所提出的EOM 在调制区域内具有最佳性能的狭缝波导结构，我们需要保证VπL 处于最低值。VπL 的定义表示为[12]

其中λ 是入射光的波长(λ=1.55 m)，ng是光学群折射率，ne是铌酸锂的异常光折射率，r33是电光系数(r33=30.8 pm/V[7,8])，Г 是电光重叠积分因子。

接下来，我们进行狭缝波导的设计和优化，以获得低VπL。图2 表明VπL 是与硅纳米线厚度hSi，宽度W 以及狭缝宽度Wslot相关的函数，其中电极间距宽度ggs设置为6 μm，电极厚度hAu设置为1 μm。从图2(a)可以看出，VπL 随着Wslot的增加和hSi的降低而降低，其中最低值在计算范围内可以小于1.8 V·cm。从图2(b)可以看出，VπL 随着W 和hSi的降低而降低，其中最低值可以降低到～1.6 V·cm，这对于实现片上低功耗设计是非常有益[8]。此外，我们还绘制了施加电压后的光模场和静电场的分布，如图2 的插图所示。但是当W 和hSi降低到一定程度之后，模式限制效应明显降低，导致光模场面积增加，狭缝优势消失，如图2(b)的插图所示。所以综合考虑光模场分布和VπL 之后，我们在接下来的分析选择Wslot=200 nm，hsi=200 nm，W=330 nm 的狭缝波导参数，获得的VπL 仅为1.88 V·cm 且模场面积也非常小，在图2(a)的插页所示的狭缝中电场明显增强。

图2 (a)(b)分别表示VπL 作为受硅纳米线厚度hSi 和槽宽Wslot、硅纳米线宽度W 影响的函数折线图，其中插图显示了在施加的1V 电压下，标注位置的光学模式和静电场的电场图案

但是，将VπL 降低为1.88 V·cm 绝不是本结构的极限。如图1(c)所示，我们设计了一种新型的金属电容层来包围波导，形成包含原本主电极和新增薄电极的双电容电极结构。在相同的电压作用下，双电容电极产生的电场比单纯的共面结构强得多。基于此原理，我们对薄电极不同的WA和hA进行参数扫描，得出多条关于VπL 的曲线如图3(a)所示。但是对于EOM 应用来说，电极的光损耗(αop)也是除调制性能之外的重要参数，我们应该为EOM 设计可接受光损耗的上限。将调制区域中的光损耗αop限值设置为0.01 dB/cm，这保证了电极的光损耗不会成为整个器件的主要限制因素。将图3(a) 中各电极宽度下器件光损耗低于0.01 dB/cm 的最大WA点在图3(b)中一一标出，可以找到此结构能实现的VπL 极值。不难看出各种厚度的电极，在保证低电极光损耗的前提下，VπL 都稳定在1.35 V·cm 附近，这也是本结构所能实现的最低的VπL。

图3 (a)(b)分别是αop 和VπL 作为受薄电极厚度hA、宽度WA 影响的函数折线图。在αop 小于0.01dB/cm 的情况下，VπL 稳定在1.35V·cm 附近

4 结论

综上所述，我们提出了一种硅和铌酸锂异质集成的EOM方案。与之前报道的调制波导结构不同，我们通过将硅纳米线嵌入薄膜铌酸锂来形成场增强型槽波导。使用这种波导结构，可以有效将VπL 降至1.88 V·cm。此外，如果EOM 需要更低的功耗，可以通过优化电极结构形成双电容电极，将VπL 进一步降低到1.35 V·cm。我们相信这种场增强型槽结构及双电容电极结构可以为EOM 的研发带来更多好处，并为基于LNOI 的EOM 激发新的应用。