寬帶電光調制器的研究現(xiàn)狀與新型硅基混合集成調制器的發(fā)展趨勢

李金野　于麗娟　劉建國

摘要：雷達、電子對抗、無線通信正向著寬帶化、集成化、陣列化的方向快速發(fā)展，對電光調制器的帶寬、半波電壓、尺度等提出了更加苛刻的要求。分別對鈮酸鋰、磷化銦、硅基以及聚合物電光調制器進行了剖析，證明單一材料體系已難以滿足系統(tǒng)應用需求。指出硅基混合集成電光調制器融合了多種材料體系的優(yōu)點，將會對未來微波光子模擬光傳輸鏈路和信息處理的發(fā)展提供強有力的支撐。

關鍵詞： 電光調制器；硅基混合集成；低半波電壓；小尺度

Abstract： Radar， electronic countermeasure and wireless communication have developed rapidly in the direction of broadband， integration and array， which brings more challenges on bandwidth， half-wave voltage and footprint of the electro-optical modulator. In this paper， modulators based on different material system， including the lithium niobate， indium phosphide， silicon and electro-optical polymer are analyzed， which shows that the single material system is difficult to meet the system application requirements. In this case， a silicon-based hybrid integrated electro-optical modulator combining the advantages of various material systems is proposed， which is expected to provide a strong support for the development of microwave photon analog optical transmission links and information processing.

Key words： electro-optic modulator； silicon-based hybrid integration； low half-wave voltage； small scale

近年來，雷達與電子對抗、無線通信等信息系統(tǒng)正朝著寬帶化、集成化和小型化的方向快速發(fā)展。這些信息系統(tǒng)對模擬光鏈路都具有嚴格的要求，調制器是模擬光鏈路中的核心器件，需要具有高帶寬、低半波電壓、低插入損耗、小體積以及高線性度等特性。

眾多機構對研制高性能調制器進行了深入探索，取得了卓有成效的進展和成果。按材料體系分類，電光調制器主要分為鈮酸鋰（LiNbO3）調制器、磷化銦（InP）調制器、硅調制器和聚合物電光調制器，幾種調制器各具特色。例如：LiNbO3調制器是最成熟的電光調制器，帶寬大、可靠性好，但尺寸大，難以實現(xiàn)與激光器和探測器集成；InP調制器易集成，但損耗高、成熟度低；硅調制器尺寸小，損耗低，但線性度差；聚合物電光調制器帶寬大，但損耗高、可靠性差。因此，單靠一種材料體系，難以滿足微波光子系統(tǒng)對寬帶調制器的需求。硅基混合集成調制器融合了硅基材料體系易于集成和其他材料體系電光系數(shù)高的優(yōu)勢，獲得了高度關注并極有可能在未來寬帶信息系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

1 調制器發(fā)展現(xiàn)狀分析

寬帶光調制器按照材料分類主要分為了LiNbO3調制器、InP基調制器、硅基調制器，以及聚合物電光調制器。

1.1 LiNbO3電光調制器

LiNbO3具有電光系數(shù)大、本征調制帶寬大、波導傳輸損耗小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。LiNbO3調制器是目前發(fā)展最成熟的調制器，其利用線性電光效應實現(xiàn)電信號對光信號的調制，通過外加電場改變光在晶體中傳播的折射率，進而改變光的相位和偏振態(tài)，利用Mach-Zehnder結構可實現(xiàn)相位調制到強度調制的轉換。所以LiNbO3調制器在模擬光鏈路中可作為相位調制器、偏振調制器和強度調制器。

早期LiNbO3調制器采用集總電極結構，但受到光波通過晶體的渡越時間以及外電路的電阻電容（RC）時間常數(shù)限制，器件調制帶寬嚴重受限。為了克服這種限制，人們采用了行波電極結構，調制帶寬不再受RC時間常數(shù)的限制。早在1999年，行波電極LiNbO3調制器的報道帶寬就已達到40 GHz[1]。而此時光波與微波的速度匹配、源和傳輸線的阻抗匹配以及微波傳輸損耗則是影響帶寬的主要因素。常采用的速度匹配方法有應用厚金屬電極，引入開槽結構，在電極下鍍一層低介電常數(shù)的緩沖層以及采用倒相電極結構和分段電極結構[2]。這些方法有時會減小光場和電場的重疊[3]，從而降低調制效率。為了提高調制效率，又有減薄LiNbO3厚度，設計脊型鈦擴散LiNbO3波導結構，減小地電極寬度等方法，調制帶寬可達105 GHz[4]。在商業(yè)應用上，Photline公司和EO space公司已有很成熟的40 GHz/60 GHz LiNbO3調制器產品，EO space公司現(xiàn)已研發(fā)出110 GHz的調制器，小體積、小功耗的LiNbO3調制器也有很多突破，目前主要應用于軍事及航天產業(yè)中[5]。

上述傳統(tǒng)的體材料LiNbO3調制器可以實現(xiàn)寬帶調制，但一般Vπ高，體積大，對偏振敏感，插入損耗大。所以近幾年基于單晶LiNbO3薄膜的調制器備受關注，包括單晶LiNbO3薄膜與易刻蝕的材料形成的混合集成調制器，以及刻蝕單晶LiNbO3薄膜形成的微納LiNbO3調制器。2017年哈佛大學報道了納米光子LiNbO3調制器，利用高精度刻蝕工藝在二氧化硅（SiO2）上的單晶LiNbO3薄膜上制備跑道型和Mach-Zehnder型電光調制器，最終帶寬分別達到30 GHz和15 GHz[6]。endprint

1.2 InP 基調制器

InP基調制器多采用多量子阱結構（MQW），主要分為電吸收型和電光型。InP基電吸收型調制器利用量子限制Stark效應（QCSE），通過外加電場改變MQW對光的吸收，進而改變光的強度；InP基電光型調制器是利用QCSE引起的材料折射率變化實現(xiàn)對光場的相位調制，然后利用Mach-Zehnder結構將相位調制轉化為強度調制。

在InP基調制器研究方面，德國HHI和日本NTT光子實驗室處于國際領先地位，其他國家的一些研究機構也進行了相關研究并取得了一定成果。對其性能的研究和改進主要集中在電極的設計和有源區(qū)光波導的設計兩方面，以下分別進行闡述。

早期的InP基Mach-Zehnder調制器也是集總電極型，為了克服RC常數(shù)對調制帶寬的限制，采用行波電極結構，帶寬提高可達45 GHz。還有方案在兩端集成了模斑變換器，大大降低了插入插損[7]；為了盡可能實現(xiàn)阻抗和速度匹配，Suguru AKIYAMA等人提出了沿著光波導制作分段的行波電極來提高調制帶寬[8]；在此基礎上，將相位電極獨立于行波電極來調整工作點，可形成驅動簡單、零啁啾調制的串聯(lián)推挽結構[9]；另外，InP基調制器采用半絕緣襯底也可以增加調制帶寬[10]。

傳統(tǒng)的InP基調制器的有源區(qū)是pin結構，而p型包層損耗大，薄非摻雜層電容大，很難滿足速度和阻抗匹配[11]。針對此問題，日本NTT實驗室提出了nin型結構，降低了接觸電阻和損耗，提高了載流子遷移率，實現(xiàn)了大于40 GHz的寬帶調制[12]。為了進一步提高調制效率，Yoshihiro OGISO等人提出了nipn結構，加了薄薄的p型層作為電子阻擋層，使電場更有效地施加在非摻雜的i層，最上層的n型結構應用反向梯形結構降低了接觸電阻和寄生電容，最終實現(xiàn)了調制帶寬大于67 GHz、片上損耗小于2 dB、半波電壓低于1.5 V的高性能調制器[13]。

InP基調制器調制效率高，驅動電壓小，通過適當?shù)脑O計可實現(xiàn)寬帶調制；另外，其器件結構緊湊，易于集成，尤其是與光源可實現(xiàn)單片集成，在這一點上已有相關報道。但InP基調制器對材料和工藝要求都很高，成本和集成難度也很大，目前中國在該方面的研究與國際先進水平相比還有很大差距。

1.3 硅基調制器

硅基電光調制器根據(jù)調控機理可以分為兩種：電折射率調制器和電吸收調制器。前者是基于等離子色散效應[14]，后者是基于 Frankz-Keldysh 效應[15]或者QCSE效應[16]。其中，電折射率調制器根據(jù)光學結構的不同主要分為兩種：微環(huán)諧振腔型和Mach-Zehnder型。微環(huán)結構的光調制是利用電信號改變微環(huán)結構中波導的有效折射率，從而改變微環(huán)的諧振狀態(tài)，對特定波長實現(xiàn)光強的調制；而Mach-Zehnder型結構是通過外加電信號改變相移臂波導的有效折射率，使光的干涉效應發(fā)生變化，進而改變光強。

2004年Intel的研究人員在Nature上報道了調制帶寬達到1 GHz 的Mach-Zehnder型硅基調制器[17]，并在2005年已經將其電學調制帶寬優(yōu)化到10 GHz。2005年，Cornell大學的徐千帆等人通過優(yōu)化波導截面，采用微環(huán)結構制作出了帶寬達到1.5 GHz 的高集成度的硅基微環(huán)調制器[18]。2007年，LIU Ansheng 等人制作出基于反偏 PN結結構的調制器，采用多模耦合器結合Mach-Zehnder結構，調制帶寬達到20 GHz[19]。隨后，LIAO L等人利用同樣的器件，進一步優(yōu)化電極，實現(xiàn)了30 GHz的調制帶寬[20]。另外，為了提高調制器的性能，多種改進方法相繼被提出來，例如：通過摻雜補償來減小波導傳輸損耗，通過采用包覆型 PN 結增加載流子與光場間的相互作用從而提高調制效率[21]，通過pipin 摻雜方式減小載流子高摻雜引起的吸收損耗，通過推挽式電極驅動減小外置電壓進而減小功耗[22]，通過采用插指 PN 結方式提高調制效率，通過在脊型硅波導上沉積一層氮化硅產生非對稱應變進而提高線性度[23]，通過行波銅電極對行波鋁電極的替換進一步提高調制帶寬等。

微環(huán)諧振腔型調制器尺寸很小，電學結構簡單，但其溫度敏感性高，同時受限于光子壽命的影響，調制帶寬相對較小，很難實現(xiàn)寬帶調制；Mach-Zehnder型調制器的調制帶寬大，但對溫度變化不敏感，相應的插入損耗也較大。總體來講，硅基調制器通過合理的設計可以實現(xiàn)寬帶、低Vπ調制，且體積小，與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容，工藝成熟度高，易于實現(xiàn)大規(guī)模集成；但其線性度較差，有待于提高。

1.4 聚合物電光調制器

聚合物電光調制器利用線性電光效應來實現(xiàn)電信號對光信號的調制，在光波電場和外加電場的作用下，引起材料的非線性極化，并導致其光學各向異性，從而實現(xiàn)對光的相位、偏振態(tài)以及強度的調制。

1991年出現(xiàn)了第一個高頻聚合物調制器，帶寬達到20 GHz [24] ，自此以后，聚合物調制器被廣泛研究，并有大量相關文獻進行報道。Hoechst Celanese Corp采用相同的材料，設計了行波電極結構，實現(xiàn)了帶寬超過40 GHz的調制器。美國加州大學洛杉磯分校、南加州大學與TACAN公司聯(lián)合，成功制備和表征了超過110 GHz的高帶寬聚合物調制器[25]，CHEN Datong等人制備了帶寬達113 GHz的聚合物調制器[26]，Bell實驗室后來更是將此記錄改寫，實現(xiàn)了高達150～200 GHz的調制帶寬。除帶寬之外，隨著NLO發(fā)色基團和器件結構的改進，半波電壓也大大降低，在文獻[27]中，聚合物調制器在1 300 nm和1 550 nm波長處，500 GHz以下調制時Vπ分別低至3.7 V和4.8 V；通過改進，文獻[28]又將上述Vπ值分別減小到了2.4 V和3.7 V。endprint

相較于無機和半導體調制器而言，聚合物調制器有其獨特的優(yōu)點。比如：聚合物材料的微波介電常數(shù)低，更易實現(xiàn)速度匹配，有實現(xiàn)更大調制帶寬的潛力；電光系數(shù)大，從而Vπ更小；材料價格低廉，工藝兼容性好。但其也有很多缺點，比如：在通信波長范圍內插入損耗較大，長期熱穩(wěn)定性差，光穩(wěn)定性較差，聚合物的極化效率和電光系數(shù)難以保持等，所以要將其應用于商業(yè)設備，還需深入研究。

2 新型硅基混合集成調制器

單一材料體系調制器的固有限制促進了混合材料體系調制器的發(fā)展。包括硅基-有機物混合集成調制器、硅基-LiNbO3混合集成調制器以及硅基-III-V族混合集成調制器等。以下分別進行闡述。

2.1 硅基-有機物混合集成調制器

硅基-有機物混合集成（SOH）調制器是將電光聚合物材料填充到兩個相距很近的脊型硅波導之間形成的狹縫（slot）波導中，其電光調制效率相比于傳統(tǒng)的聚合物調制器有很大提高，VπL減小了一個數(shù)量級[29]。2008年，Tom BAEHR-JONES報道了硅狹縫波導和非線性聚合物包層形成的混合集成調制器，VπL低至0.5 V·cm[30]。2010年，該實驗室報道了第一個近紅外波段寬帶SOH調制器，帶寬為3 GHZ，VπL為0.8 V·cm。適當增加硅波導的厚度和合理摻雜，可以進一步提高調制帶寬[31]。2014年出現(xiàn)了第一個帶寬達到100 GHz 的SOH調制器[32]。2016年李凱麗等人仿真了硅基-有機物材料混合Mach-Zehnder型調制器，在條型波導和狹縫波導之間設計了模式轉換器來提高模式轉換效率，仿真得到調制帶寬達137 GHz[33]。

SOH調制器的原理如圖1所示，光波導結構為填充有機聚合物材料的slot波導，光的準橫電場（TE）模式限制在slot波導內，施加電壓時，slot波導內形成強電場，電場和光場模式之間有很大的交疊，因此調制效率較高[32]。為了減小薄條形加載硅條的阻抗，采用加直流柵電壓的方式形成高電導率的電子積累層進而減小阻抗，相比于摻雜方式，電子遷移率不受雜質散射的影響，提高帶寬的同時降低了光損耗。如圖1a）所示，slot兩側的硅波導通過薄條形加載硅條連接電極，電光聚合物填充到slot中，輕摻雜的硅襯底被用作柵極。圖1b）所示為波導的截面和準TE傳輸模式的電場分布圖，光場被限制在slot中，圖中也展示了等效RC電路（C為slot電容，R為條形加載的電阻）。當在SiO2兩側加正電壓時，柵極電壓Vgate會使條形加載的能帶彎曲，在條形加載中形成高電導率的電子累積層。EF、EC、EV分別是費米能級、導帶能級和價帶能級，q表示是電子電量， 如圖1c）所示。

2.2 硅基- LiNbO3混合集成調制器

硅基-LiNbO3混合集成調制器近幾年取得了很大進展。2013年，Vincent STENGER等人通過離子注入與晶體鍵合技術相結合，在石英襯底上鍵合單晶鈮酸鋰（LN）薄膜，以此來形成電光調制器，調制帶寬達24 GHz[34]。2014年，CHEN Li等人報道了混合集成的LN薄膜硅基環(huán)形電光調制器，3 dB帶寬達到5 GHz[35]。2015年，該實驗室報道了高線性硅基-LiNbO3混合集成的環(huán)形調制器[36]，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）在1 GHz和10 GHz分別達到98.1 dB/Hz2/3和87.6 dB/Hz2/3，優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基環(huán)形調制器。2016年4月，JIN Shilei等人報道了應用氮化硅脊型波導的硅基混合集成的Mach-Zehnder型調制器，3 dB帶寬達8 GHz，VπL為3 V·cm[37]。2016年7月，Andrew J. MERCANTE等人報道了與CMOS兼容的硅基混合電光調制器，RF調制帶寬達110 GHz[38]。在2016年12月，Ashutosh RAO等人報道了硅基- LiNbO3混合集成的小型高性能Mach-Zehnder調制器，調制帶寬達33 GHz，VπL在直流和50 GHz下分別低至3.1 V·cm和6.5 V·cm [39]。

Mach-Zehnder型硅基- LiNbO3混合集成調制器[40]的結構如圖2a）所示。在圖2b）中，左側為1550nm波長處光場TE模式模場分布圖，右側為10 GHz時的RF場分布，其中標注Au處代表金屬電極，硫族化物（ChG）脊型結構用矩形白框表示。用離子注入與晶體鍵合技術相結合，在硅襯底上的SiO2層上直接鍵合一層亞微米厚的單晶LN薄膜，LN薄膜具有和體LiNbO3材料基本一致的大電光系數(shù)，所以可實現(xiàn)高效率電光調制。利用LN薄膜和SiO2層的折射率差可實現(xiàn)光場的縱向限制，而LiNbO3材料難刻蝕的特點，此方案在LN薄膜上沉積折射率匹配的ChG，形成脊型光波導，從而加強對光場的橫向限制。此種調制器利用了LN薄膜的大電光系數(shù)，以及LN薄膜與SiO2層的高折射率差，實現(xiàn)了對光場的強限制，大大減小了電極間距，從而使VπL參數(shù)顯著降低，且更有利于實現(xiàn)集成。另外，通過改變脊型材料的組分、結構參數(shù)可以進一步優(yōu)化設計，提高帶寬且減小光損耗，具有很大的優(yōu)勢和開發(fā)前景。

另外，III-V族材料與硅基混合集成也可實現(xiàn)高速高效調制。2012年，UCSB的 J.E.BOWER 小組提出了基于QCSE效應的硅基電吸收調制器，實現(xiàn) InP 基底和 SOI 材料的鍵合，該器件在1 300 nm波段的調制帶寬預測高達74 GHz[41]。2016年8月，UCSB的ZHANG Chong等人報道了高線性度環(huán)形輔助III-V/Si基混合集成Mach-Zehnder調制器（RAMZM），結構如圖3所示，通過調控復合波導的介電常數(shù)以及環(huán)和相位調制臂的耦合系數(shù)，可以減小Mach-Zehnder調制器傳輸函數(shù)的非本征、非線性特性，進而提高線性度，此方案中的SFDR在10 GHz，環(huán)形結構弱耦合條件下可以達到117.5 dB/Hz2/3[42]。endprint

綜合考慮模擬光鏈路對調制器的應用需求，如大帶寬、低Vπ、低插入損耗、高成熟度、高穩(wěn)定性等，利用LN薄膜具有大的電光系數(shù)等特點，同時考慮到硅波導的研究也已非常成熟，將LN薄膜與硅基襯底集成，將帶來獨特的優(yōu)勢。通過合理的設計可實現(xiàn)寬帶高效率調制，做到在與傳統(tǒng)LiNbO3調制器保持基本一致的調制帶寬、消光比和動態(tài)范圍時，降低尺寸、Vπ以及損耗，且與CMOS工藝兼容，易于實現(xiàn)小型集成化，因此為未來的高速光電集成提供了很好的前景。

3 結束語

寬帶電光調制器是寬帶雷達、電子對抗以及無線通信領域中的核心電光轉換器件，多年來一直是國際上的研究熱點。傳統(tǒng)的體材料LiNbO3調制器發(fā)展最成熟，可以實現(xiàn)寬帶調制，但一般半波電壓高，體積大，插入損耗也大；InP基調制器性能較好，易于集成，但材料和工藝復雜，成本較高；硅基調制器體積小，有利于大規(guī)模集成，但線性度相對較差；聚合物調制器帶寬很寬，但穩(wěn)定性較差。基于硅基襯底的混合集成調制器可以通過優(yōu)化設計實現(xiàn)不同材料體系的優(yōu)勢結合，提高調制器的整體性能，是當前的研究熱點之一，極有可能在未來寬帶信息網絡中扮演重要角色。

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