劉海鋒，郭宏杰,2，譚滿清,2 ，李智勇

（1. 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 100049）

1 引 言

在不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和大數(shù)據(jù)交互需求的共同推動(dòng)下，要求光調(diào)制器具備大帶寬、小體積、低光學(xué)損耗、低能耗、高集成度的特點(diǎn)。鈮酸鋰[1](Lithium Niobate，LN)材料制作的調(diào)制器與硅[2-3](Silicon，Si)、磷 化 銦[4](Indium Phosphide，InP)、聚合物[5](Polymers)、等離子體[6](Plasmonics)等材料制作的調(diào)制器相比，除了具有體積小、帶寬高和損耗低的優(yōu)點(diǎn)，還有良好的線性度以及較高的消光比[7-8]。

目前商用的LN調(diào)制器為使用質(zhì)子交換(Proton Exchange，PE)工藝或者Ti擴(kuò)散(Titanium-indiffusion)工藝制作的體波導(dǎo)器件，PE和Ti擴(kuò)散工藝制備的波導(dǎo)折射率差Δn≈0.02，由于波導(dǎo)對(duì)光的限制能力較弱，故體波導(dǎo)器件往往體積大并且調(diào)制電壓較高。國(guó)內(nèi)外商用LN調(diào)制器的帶寬在35 GHz以下，同時(shí)半波電壓大于4 V，調(diào)制器長(zhǎng)度大于5 cm[9-11]。近些年，隨著波導(dǎo)加工工藝不斷成熟，LN薄膜(Thin Film LN，TFLN)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率差Δn>0.7，增強(qiáng)了波導(dǎo)對(duì)的光的限制能力，在減小調(diào)制器的體積的同時(shí)降低了調(diào)制電壓。在最近的報(bào)道中，利用LN薄膜結(jié)構(gòu)制備了調(diào)制帶寬>100 GHz，半波電壓與長(zhǎng)度乘積VπL<2 V?cm[12-13]的調(diào)制器，其性能在大多數(shù)方面優(yōu)于目前商用鈮酸鋰調(diào)制器。LN薄膜調(diào)制器成為實(shí)現(xiàn)小型化、高帶寬、低損耗、高集成度調(diào)制器的熱門方案。

LN薄膜調(diào)制器由波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、耦合結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)3部分構(gòu)成。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響調(diào)制器帶寬、調(diào)制電壓、調(diào)制長(zhǎng)度、消光比、傳輸損耗等性能，耦合結(jié)構(gòu)影響調(diào)制器的耦合損耗，電極結(jié)構(gòu)影響調(diào)制器的調(diào)制帶寬。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，LN薄膜調(diào)制器分為強(qiáng)度調(diào)制器和相位調(diào)制器。強(qiáng)度調(diào)制器主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離光纖通信領(lǐng)域，對(duì)調(diào)制器的帶寬、體積、功耗要求較高，因此LN薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度調(diào)制設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵。相位調(diào)制器主要應(yīng)用于光纖傳感和短距通信領(lǐng)域，調(diào)制器需要實(shí)現(xiàn)低調(diào)制電壓、小體積、高消光比，因此需要重點(diǎn)關(guān)注LN薄膜調(diào)制器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)制作工藝。

本文對(duì)LN薄膜調(diào)制器的耦合結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)梳理，對(duì)波導(dǎo)制作工藝進(jìn)行了總結(jié)，并分析了不同結(jié)構(gòu)調(diào)制器的性能，最后對(duì)LN薄膜調(diào)制器的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2 LN薄膜調(diào)制器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

2.1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

2.1.1 薄膜平臺(tái)結(jié)構(gòu)

LN薄膜波導(dǎo)根據(jù)薄膜平臺(tái)主要分為兩大類：一類為絕緣體上鈮酸鋰薄膜(Lithium Niobate on Insulator，LNOI)，另一類為絕緣體上硅(Silicon on insulator，SOI)。LNOI波導(dǎo)根據(jù)波導(dǎo)層工藝不同分為置換波導(dǎo)、加載波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 (a)～(c)LNOI結(jié)構(gòu)：(a)置換波導(dǎo)；(b)加載波導(dǎo)；(c)脊形波導(dǎo)。(d)SOI結(jié)構(gòu)Fig. 1 (a)～(c) LNOI structure: (a) diffused waveguide;(b) loaded waveguide; (c) ridge waveguide. (d) SOI structure

2.1.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)

LN薄膜波導(dǎo)使用的光學(xué)結(jié)構(gòu)主要有相位型、干涉型和諧振腔型，其中干涉型和諧振腔型為強(qiáng)度調(diào)制。干涉型有馬赫-曾德爾干涉(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)結(jié)構(gòu)和邁克耳孫干涉(Michelson Interferometer，MI)結(jié)構(gòu)。MI相比于MZI增加了光干涉長(zhǎng)度，進(jìn)而縮小了調(diào)制器的體積，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。諧振腔型有微環(huán)(Micro-Ring Resonator，MRR)結(jié)構(gòu)和光子晶體(Photonic Crystal，PHC)結(jié)構(gòu)，光子晶體的Q值可以大于105，相比微環(huán)提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[14-15]，其結(jié)構(gòu)模型如圖3(彩圖見期刊電子版)所示[16]。

圖2 (a) MZI結(jié)構(gòu)示意圖；(b) MI結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagrams of (a) MZI structure and (b) MI structure

圖3 兩種諧振腔輸出端口光強(qiáng)分布圖[16]。(a)微環(huán)結(jié)構(gòu)；(b)光子晶體結(jié)構(gòu)。藍(lán)線為施加電場(chǎng)后波導(dǎo)的光學(xué)特性變化曲線Fig. 3 Light intensity distribution diagram of the output port of the resonant cavity structure waveguide[16]. (a) Microring structure; (b) photonic crystal structure. The blue line is the optical characteristic change curve of the waveguide after an electric field is applied

2.2 耦合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

為了匹配光纖與波導(dǎo)之間的光模式，需要相匹配的耦合技術(shù)降低損耗[17-18]。傳統(tǒng)的耦合技術(shù)有邊緣耦合(Edge coupling)，光柵耦合(Gratecoupling)和消逝耦合(Evanscent coupling)3種，其模型結(jié)構(gòu)如圖4所示[19]。

圖4 (a)錐形耦合模型[19]；(b)反錐形耦合模型[19]；(c)光柵耦合模型[19]；(d)消逝耦合模型[19]Fig. 4 (a) Tapered coupling model[19]; (b) inverse tapered coupling model[19]; (c) grating coupling model[19]; (d) evanescent coupling model[19]

邊緣耦合方案有錐形波導(dǎo)(Tapered waveguides) (如圖4(a))和反錐形波導(dǎo)(Inversely tapered waveguides) (如圖4(b))兩種結(jié)構(gòu)。錐形結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)1.5 dB/facet (TE)和 1.75 dB/facet (TM)的耦合損耗，但是制作難度大[20]。反錐形結(jié)構(gòu)降低了制作難度，但帶來(lái)了較大的耦合損耗[21]。為了提升耦合效率，反錐形結(jié)構(gòu)和棱鏡光纖配合使用，耦合損耗減小到(2.5±0.5) dB/face (TE)和6 dB/facet(TM)[22]。此外，研究者們還提出了一種新的反錐形耦合方案(雙錐形結(jié)構(gòu))[23-24]。在脊形結(jié)構(gòu)減小時(shí)，傳統(tǒng)的單錐形結(jié)構(gòu)會(huì)使得光向薄膜層轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致耦合效率變差，而雙錐形結(jié)構(gòu)可以使得光的模式很好地接近圓形，耦合損耗減小到0.5 dB/facet[25]。

光柵耦合模型如圖4(c)所示，相較于邊緣耦合，光柵耦合的優(yōu)勢(shì)在于制造工藝成熟，但制作過(guò)程中需要考慮光在襯底中的傳播損耗，故耦合效率較低(3.5 dB/facet)[26-27]。

消逝耦合模型如圖4(d)所示，其理論耦合效率可以達(dá)到100%。Yao[28]提出的基于LNOI的漸逝耦合方案實(shí)現(xiàn)了1.32 dB/facet (TE)和1.88 dB/facet (TM)的耦合損耗。

此外，Wang[29]提出將光纖集成到調(diào)制器中的新型耦合方案，其結(jié)構(gòu)如圖5(彩圖見期刊電子版)所示[29]，通過(guò)對(duì)比表1可得，該新型的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較小的耦合損耗，為集成光電子提供了新穎的思路。

圖5 光纖與調(diào)制器集成方案[29]。(a)調(diào)制器結(jié)構(gòu)；(b)光在光纖中傳播時(shí)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(c)光在波導(dǎo)中傳播時(shí)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Optical fiber and modulator integration scheme[29].(a) Modulator structure; (b) waveguide structure when light propagates in an optical fiber; (c) waveguide structure when light propagates in a waveguide

表1 不同耦合方案總結(jié)Tab. 1 Summary of different coupling schemes

2.3 電極結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

在鈮酸鋰調(diào)制器中，電極有如圖6所示兩種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，圖6(a)中波導(dǎo)置于兩個(gè)電極之間，該結(jié)構(gòu)適用X切Y傳或Y切X傳晶體傳輸TE單模光，圖6(b)中波導(dǎo)置于電極之下，該結(jié)構(gòu)適用X切晶體傳輸TM單模光。當(dāng)波導(dǎo)置于電極下時(shí)，為了避免光在電極中產(chǎn)生損耗，需要在波導(dǎo)和電極之間增加緩沖層。

圖6 鈮酸鋰調(diào)制器中的電極基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。 (a)電場(chǎng)方向平行波導(dǎo)芯層；(b)電場(chǎng)方向垂直波導(dǎo)芯層Fig. 6 Electrode basic structure of LN modulators. (a) The electric field direction is parallel to the waveguide core; (b) the electric field direction is perpendicular to the waveguide core

根據(jù)傳輸信號(hào)方向的不同，電極分為集總電極和行波電極，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。集總電極中微波信號(hào)的傳輸方向垂直于光波的傳輸方向，而行波電極的微波信號(hào)與光波傳輸方向相同，行波電極結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬調(diào)制器，廣泛應(yīng)用在高速調(diào)制器中。

圖7 (a)集總電極結(jié)構(gòu)；(b)行波電極結(jié)構(gòu)Fig. 7 (a) Lumped electrode structure; (b) traveling wave electrode structure

集總電極在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電極寬度W和間隙G。電極間隙和寬度的比值(G/W)與帶寬正相關(guān)，同時(shí)電極間隙與調(diào)制器電壓也正相關(guān)。如果要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬和低調(diào)制電壓，則需要電極寬度足夠小，但是電極寬度變小會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問題。第一，電極寬度不能小于波導(dǎo)寬度，否則會(huì)影響電光積分參數(shù)，進(jìn)而使得調(diào)制電壓變大。第二，電極寬度變小會(huì)增大靜電電阻，進(jìn)而限制帶寬[30]。

使用行波電極結(jié)構(gòu)可以制造上百GHz帶寬的調(diào)制器，其在設(shè)計(jì)中需要注意3點(diǎn)：第一，減小電極間隙G可以減小調(diào)制電壓，但會(huì)增加電極損耗。第二，行波電極設(shè)計(jì)需要考慮阻抗匹配，行波電極的阻抗與單位長(zhǎng)度電容有關(guān)，通過(guò)優(yōu)化電極寬度W和電極間隙G可以獲得50 Ω阻抗。第三，行波設(shè)計(jì)需要考慮速度匹配，行波電極調(diào)制器的調(diào)制帶寬上限取決于微波在電極中速度和光波在波導(dǎo)中速度的匹配程度，如果微波在電極中的速度等于光波在波導(dǎo)中的速度，則理論上可以達(dá)到無(wú)限大的帶寬，通過(guò)優(yōu)化電極厚度和傾斜角度、增加 SiO2覆蓋層的方法可以提高微波和光波的速度匹配率[31-32]。

金屬電極一般用剝離技術(shù)制備，在最初，熱剝離受限于光刻技術(shù)發(fā)展，制備的電極間隙和電極厚度在1 μm附近，最近，隨著光刻技術(shù)和納米壓印技術(shù)的提升，可以實(shí)現(xiàn)nm級(jí)的電極間隙[33-34]。此外，金屬電極也可以用刻蝕技術(shù)制備，雖然刻蝕工藝可以實(shí)現(xiàn)較大的電極厚度(>3 μm),但會(huì)增加電極寬度(>6 μm)[35]。

3 LN薄膜調(diào)制器波導(dǎo)工藝研究進(jìn)展

3.1 LN薄膜平臺(tái)工藝

LNOI通過(guò)將鈮酸鋰薄膜(Thin-Film Lithium Niobate，TFLN)與 SiO2鍵合制備而成。TFLN用晶體離子切片技術(shù)(Crystal Ion Slicing ，CIS)和熱剝離(Thermal Exfoliation，TE)技術(shù)制備。CIS工藝適用于制備10 μm厚的薄膜[36]，TE工藝適用于制備亞微米(100～1 000 nm)薄膜[37]。LNOI的鍵合方案有兩類：一類為使用TE工藝的直接鍵合方案，直接鍵合可以實(shí)現(xiàn)LNOI晶圓制備[38]；另一類為利用苯并環(huán)丁烯(Benzocyclobutene，BCB)的間接鍵合方案，由于退火后處于低溫環(huán)境(300 ℃)，間接鍵合會(huì)造成離子損傷并影響晶體的電光特性[39]。LNOI的襯底根據(jù)材料不同分為L(zhǎng)N襯底和硅襯底，LN襯底雖然工藝成熟，但會(huì)引起熱電荷效應(yīng)，影響器件性能。硅襯底可以避免這一影響，但是由于硅和LN的熱膨脹系數(shù)不同，故鍵合需要在在室溫下進(jìn)行[40-41]

SOI鍵合TFLN將LN晶體優(yōu)秀的光學(xué)性能與成熟的CMOS工藝相結(jié)合，極大地推動(dòng)了集成光電子的發(fā)展。其制造過(guò)程分為兩步[42]，第一步通過(guò)CIS和TE技術(shù)獲得1 μm厚的TFLN，第二步將硅的微環(huán)結(jié)構(gòu)在500 ℃下與TFLN直接鍵合到一起。

3.2 波導(dǎo)層工藝

3.2.1 置換工藝

置換方案有Ti擴(kuò)散和質(zhì)子交換(Proton Exchange，PE)兩種。Ti擴(kuò)散工藝制備的波導(dǎo)的折射率改變量為Δne=0.03, Δno=0.01，擴(kuò)散深度可以達(dá)到4 μm[43]，適用于X、Y、Z切波導(dǎo)制作，但光折射和偏振會(huì)造成波導(dǎo)損傷[44]。PE工藝折射率改變量可以達(dá)到Δne=0.1, Δno=?0.04，但是制作的Y切面波導(dǎo)質(zhì)量較差，在使用中通常利用X切面和Z切面。對(duì)于PE工藝，由于散射損耗會(huì)降低波導(dǎo)的光電性能，通過(guò)熱退火(Annealing Proton exchange，APE)可以減少這些不良影響[45]。

基于LNOI的PE和APE工藝制作的LN薄膜波導(dǎo)器件雖然折射率改變量有所提升，但是該方案制備的波導(dǎo)對(duì)光的限制能力還是較弱，器件半波電壓Vπ>10 V[46-47]。

3.2.2 脊形刻蝕工藝

傳統(tǒng)的脊形刻蝕工藝有濕法刻蝕和干法刻蝕兩種，近些年隨著波導(dǎo)加工工藝的成熟，金剛石加工工藝和化學(xué)機(jī)械拋光也可制備LN脊形波導(dǎo)?？涛g中的光刻掩膜板用鉻[48]、無(wú)定形硅[49]、金屬[50]或者光刻膠[51]等材料制作，電子束光刻技術(shù)(EBL)或UV光刻技術(shù)用于對(duì)掩模板定形。近幾年，飛秒激光(Femtosecond laseretch)技術(shù)也用于光刻[52-53]。飛秒激光光刻的優(yōu)點(diǎn)是脈沖持續(xù)時(shí)間短，從而減少了激光脈沖與材料之間的熱相互作用，可實(shí)現(xiàn)清晰的刻蝕。

濕法刻蝕由于化學(xué)各向同性，刻蝕的波導(dǎo)有一定的傾斜度，嚴(yán)重影響波導(dǎo)對(duì)光的限制能力[54]。而干法刻蝕為物理刻蝕，具有各項(xiàng)異性，能夠刻蝕理想的脊形結(jié)構(gòu)。隨著工藝的進(jìn)一步成熟，干法刻蝕的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(Reactive Ion Etching，RIE)和電感耦合刻蝕技術(shù)(Inductive Coupled Plasma RIE，ICP-RIE)[55-56]可以實(shí)現(xiàn)小體積、低損耗的波導(dǎo)制備，成為刻蝕脊形波導(dǎo)最具前景的方案[57]。

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polish，CMP)制作波導(dǎo)過(guò)程如圖8(彩圖見期刊電子版)所示[58]，在LNOI上沉積鉻做掩膜層，飛秒激光光刻后，使用兩次CMP對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行處理，第一次用于刻蝕LN，第二次用于平滑波導(dǎo)表面。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是不需要離子刻蝕，提高了波導(dǎo)表面的光滑度，降低了波導(dǎo)損耗。

圖8 (a)～(d)CMP工藝流程圖和(e)CMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[58]Fig. 8 (a)～(d) CMP process flow chart and (e) CMP system structure diagram[58]

聚焦離子束銑削(Focused Ion Beam milling，F(xiàn)IBm)用于平滑波導(dǎo)圓柱側(cè)壁，如圖9所示[59]，圖9(a)和圖9(b)分別為FIB銑削之前和之后的圖片。在FIB處理過(guò)程中，會(huì)引起LN晶格缺陷(空位)，但由于調(diào)制過(guò)程中不涉及自由載流子的運(yùn)動(dòng)，因此該缺陷在波導(dǎo)制作中可以忽略。

圖9 (a) FIBm前及(b) FIBm后波導(dǎo)圖像[59]Fig. 9 Waveguide image (a) before and (b) after FIBm[59]

金剛石切割(Diamond blade dicing)可以獲得2～12 μm寬度的脊形結(jié)構(gòu)[60]，結(jié)合CMP有利于降低傳播損耗(1.4 dB/cm，TE)。金剛石切割工藝過(guò)程中會(huì)使用兩次切割，如圖10所示[61]，第一次在(b)步驟中，在離子注入的薄膜上切出50 μm的凹槽是為了防止在后面與SiO2鍵合時(shí)產(chǎn)生氣泡，第二次切割將獲得理想的脊形結(jié)構(gòu)。這種方法可以獲得很好的側(cè)壁傾斜度(>65°)，但是波導(dǎo)容易斷裂，并且端面會(huì)出現(xiàn)傾斜。

圖10 金剛石切割制造波導(dǎo)過(guò)程[61]Fig. 10 Diamond cutting process for manufacturing waveguides[61]

上述制造工藝特點(diǎn)如表2所示，在實(shí)際制造過(guò)程中，為了降低損耗，通常將幾種工藝混合使用，以達(dá)到理想的波導(dǎo)性能。

表2 不同刻蝕工藝對(duì)比Tab. 2 Comparison of different etching processes

3.2.3 脊形加載工藝

加載型脊形波導(dǎo)不需要刻蝕LN，成為了一種比較熱門的方案。加載型工藝在LNOI上沉積的材料有Si3N4[62-65]、TiO2[66]、Ta2O5[67]、硫化物玻璃材料[68]。材料的損耗參考表3，其中Si3N4材料的折射率最接近LN，在加載型波導(dǎo)中有較廣的應(yīng)用。

表3 不同加載材料損耗比較Tab. 3 Comparison of loss of different loaded materials

4 LN薄膜調(diào)制器性能分析

由2.1.1節(jié)得，根據(jù)波導(dǎo)薄膜平臺(tái)結(jié)構(gòu)不同，LN薄膜調(diào)制器分為PE&APEonLNOI(基于LNOI的置換波導(dǎo)調(diào)制器)、RibloadLNOI(基于LNOI的加載型波導(dǎo)調(diào)制器)、RibEtchonLONI(基于LNOI的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)調(diào)制器)、TFLNonSOI(基于SOI的薄膜結(jié)構(gòu)調(diào)制器)。由2.1.2節(jié)得，根據(jù)波導(dǎo)光學(xué)結(jié)構(gòu)不同，LN薄膜調(diào)制器分為PM(相位調(diào)制器)、MZM(馬赫曾德干涉調(diào)制器)、MIM(邁克耳孫干涉調(diào)制器)、MRM(微環(huán)調(diào)制器)、PHCM(光子晶體諧振腔調(diào)制器)。不同調(diào)制器施加電壓后輸出光場(chǎng)變化如圖11所示，本節(jié)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的LN薄膜調(diào)制器性能進(jìn)行分析。

圖11 調(diào)制器輸出端口光場(chǎng)圖。(a) PM；(b) MZM；(c)MIM；(d) MRM；(e) PHCMFig. 11 The light field change diagram of the output port of the modulator. (a) PM; (b) MZM; (c) MIM; (d)MRM; (e) PHCM

4.1 半波電壓長(zhǎng)度積和可調(diào)諧性(Half-wave Voltage and Tunability)

對(duì)于相位調(diào)制器，半波電壓(Vπ)是在器件在調(diào)制長(zhǎng)度L上累計(jì)π相移所需的電壓。對(duì)于干涉型調(diào)制器，半波電壓也被叫做開關(guān)電壓，是MZM或者M(jìn)IM導(dǎo)通和關(guān)斷所需的電壓。半波電壓長(zhǎng)度積(VπL)是一個(gè)品質(zhì)因數(shù)，用于衡量干涉調(diào)制器功耗性能和器件體積。以pm/V為單位的可調(diào)諧性是諧振腔類調(diào)制器的Vπ模擬，它表示調(diào)制器施加到電極的電壓引起光共振的光譜儀偏移程度，VπL和可調(diào)諧性的近期研究進(jìn)展如表4和表5示。

表4 V πL總結(jié)Tab. 4 V πL summary

表5 可調(diào)諧性總結(jié)Tab. 5 Tunability summary

如表4所示，與MZM相比，MIM可以實(shí)現(xiàn)更小的VπL，這是因?yàn)樵谙嗤L(zhǎng)度的器件結(jié)構(gòu)下，MIM有更長(zhǎng)的光干涉路程，進(jìn)而可以獲得更小的VπL。在干涉型調(diào)制器中，Rib load on LNOI、Rib Etch on LNOI、TFLN on SOI均可實(shí)現(xiàn)較小的VπL(<2 V·cm)，Rib load on LNOI優(yōu)勢(shì)在于不需要刻蝕LN，降低了制作難度，TFLN on SOI的優(yōu)勢(shì)在于可以兼容CMOS工藝，該方案將極大促進(jìn)光子集成的發(fā)展。而對(duì)于相位調(diào)制器，PE&APE on LNOI調(diào)制器VπL=6.5 V·cm，優(yōu)于目前商用調(diào)制器VπL=20 V·cm，可以預(yù)見LN薄膜結(jié)構(gòu)將極有可能成為新的商用方案。

另外，如表5所示，與微環(huán)結(jié)構(gòu)相比，光子晶體結(jié)構(gòu)可以獲得更大的可調(diào)諧性，同時(shí)光子晶體結(jié)構(gòu)具有更小的體積，在調(diào)制器的應(yīng)用方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4.2 光學(xué)損耗(Optical Loss)

調(diào)制器總的光學(xué)損耗分為耦合損耗和傳播損耗，耦合損耗取決于輸入光和波導(dǎo)模式之間的模式重疊大小，分析參考2.2節(jié)，傳播損耗與波導(dǎo)制作工藝相關(guān)，分析參考2.2節(jié)。此外，MIM和MZM波導(dǎo)的不對(duì)稱也會(huì)帶來(lái)傳播損耗，這會(huì)降低調(diào)制器的消光比，并影響線性調(diào)頻性能。諧振腔調(diào)制器中的傳播損耗與Q值相關(guān)，通常Q值越大，損耗越低。調(diào)制器光學(xué)損耗近期研究進(jìn)展如表6所示。

表6 光學(xué)損耗總結(jié)Tab. 6 Summary of optical loss

由表6可得，基于LNOI結(jié)構(gòu)干涉類調(diào)制器的光學(xué)損耗在2021年取得巨大進(jìn)步，得益于耦合工藝的提升，新的雙錐形耦合工藝將整體光學(xué)損耗由7 dB減小到3 dB[25]。得益于成熟的工藝，SOI結(jié)構(gòu)調(diào)制器可以極大降低耦合損耗，進(jìn)而降低整體的損耗(<1 dB)。而受限于耦合方案的損耗，相位調(diào)制器有較大損耗(>8.4 dB)，采用雙錐形耦合工藝有望降低整體損耗。

4.3 消光比(Optical Extinction Ratio，OER)

理想MZM和MIM的OER無(wú)限大，但是制造的不完美 (兩臂分光不匹配，損耗失衡)導(dǎo)致OER有限。諧振腔調(diào)制器的OER由諧振腔的無(wú)源光譜響應(yīng)決定，而該響應(yīng)又與諧振腔的耦合系數(shù)、傳輸損耗有關(guān)。調(diào)制器的具體應(yīng)用確定了可接受的OER范圍，比如長(zhǎng)距離通信需要OER>20 dB，而在某些交換應(yīng)用中需要OER>30 dB, 短距離較低的OER也可以傳輸信號(hào)。消光比近期研究進(jìn)展如表7所示。

由表7可得，MZM雖然未實(shí)現(xiàn)理想的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但仍具有大消光比的優(yōu)勢(shì)(30 dB)。而與微環(huán)結(jié)構(gòu)相比，雖然光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了更高的Q值，但OER不占優(yōu)勢(shì)(11.5 dB)，這將限制其在特定場(chǎng)景中的應(yīng)用。

表7 消光比總結(jié)Tab. 7 Summary of OER

4.4 調(diào)制帶寬(Modulation Bandwidth)

調(diào)制帶寬是衡量載波攜帶信息量的重要參數(shù)，調(diào)制器帶寬近幾年研究進(jìn)展如表8所示。由表8可知，MZM結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高帶寬(>100 GHz)的理想結(jié)構(gòu)，在已有報(bào)道中，SOI襯底和LNOI結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)高帶寬，LNOI結(jié)構(gòu)有更大的帶寬發(fā)展空間，但是如果考慮光子集成，SOI襯底具有更大的優(yōu)勢(shì)。

表8 3 dB帶寬總結(jié)Tab. 8 Summary of 3 dB bandwidth

4.5 調(diào)制速率(Modulation Rate)

調(diào)制速率指單位時(shí)間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)，其一方面與器件結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面與調(diào)制方案有關(guān)，常見的光調(diào)制方案有開關(guān)鍵控 (OOK)、不歸零 (NRZ)、正交調(diào)幅 (QAM)、正交相移鍵控(QPSK)和四級(jí)脈沖幅度調(diào)制 (PAM-4)。調(diào)制速率近期研究進(jìn)展如表9所示，從表中可以看出，在所有干涉類調(diào)制器中，MZM結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高調(diào)制速率(>100 Gbit/s)的理想結(jié)構(gòu),同時(shí)如果要實(shí)現(xiàn)更高速率調(diào)制器，需要使用QPSK和QAM調(diào)制方案，其由多個(gè)MZM級(jí)聯(lián)而成，對(duì)器件設(shè)計(jì)有較高的要求。

表9 調(diào)制速率總結(jié)Tab. 9 Summary of modulation rate

5 結(jié) 論

綜上所述，LNOI結(jié)構(gòu)有實(shí)現(xiàn)更高帶寬的潛在能力，而SOI結(jié)構(gòu)有較低光學(xué)損耗和方便光子集成的優(yōu)勢(shì)。基于LNOI結(jié)構(gòu)的調(diào)制器光學(xué)損耗大于SOI結(jié)構(gòu)調(diào)制器的原因在于耦合損耗較大，雖然漸逝耦合方案和集成耦合方案可以實(shí)現(xiàn)較低的損耗，但是制作工藝難度大。雙錐形耦合方案可以在降低損耗的同時(shí)降低工藝難度，其將是未來(lái)LNOI結(jié)構(gòu)調(diào)制器的理想耦合方案。在LNOI 3種不同的波導(dǎo)層工藝中，置換波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的限制能力小于加載型結(jié)構(gòu)和脊形結(jié)構(gòu)，并且隨著刻蝕工藝的成熟，脊形結(jié)構(gòu)的光傳播損耗小于加載型結(jié)構(gòu)，因此未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)更多基于LNOI的脊形結(jié)構(gòu)的高帶寬調(diào)制器研究。

在相位調(diào)制器應(yīng)用中，將面臨消光比和傳輸損耗的問題，解決途徑主要是優(yōu)化波導(dǎo)的加工工藝以及對(duì)芯片和耦合光纖進(jìn)行鍍膜加工。而強(qiáng)度調(diào)制器主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離光纖通訊，對(duì)帶寬要求較高。基于TFLN on SOI結(jié)構(gòu)的MZM可以實(shí)現(xiàn)小型化、高帶寬、低損耗、低功耗的調(diào)制器，并且多個(gè)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)制備，其性能遠(yuǎn)超目前的商用調(diào)制器，該結(jié)構(gòu)極有可能是未來(lái)強(qiáng)度調(diào)制器的主流設(shè)計(jì)，其難點(diǎn)在于波導(dǎo)制備工藝復(fù)雜，在商業(yè)化應(yīng)用上還需要一定的時(shí)間。因此，如何優(yōu)化制備封裝等工藝，將是下一步研究的重點(diǎn)。