近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所硅基材料与集成器件实验室蔡艳研究员、欧欣研究员联合团队，在通讯波段硅基铌酸锂异质集成电光调制器方面取得了重要进展。团队成员利用上海微技术工业研究院标准180 nm硅光工艺在八英寸 SOI上制备了硅光芯片，然后基于“离子刀”异质集成技术(图1)，通过直接键合的方式将铌酸锂与SOI晶圆实现异质集成，并通过干法刻蚀技术实现了硅光芯片波导与LN电光调制器的单片式混合集成，制备出通讯波段MZI型硅基铌酸锂高速电光调制器。
得益于优良的材料质量和器件制备技术，器件在10 Hz至1 MHz频率范围内的三角波电压信号下的调制效率测量结果如图2(b)所示，结果显示在测量频率范围内器件保持稳定的VpiL值，约2.9 V·cm，与仿真值2.92 V·cm相接近。同时该结果展示器件具备较好的低直流漂移特性，证明薄膜铌酸锂材料和氧化硅包层的沉积质量较好，缺陷较少。调制器的光眼图测试结果如图2(c,d)所示，在NRZ调制信号下传输速率达到88 Gbit/s, PAM-4调制信号下传输速率达到176 Gbit/s。
相关研究成果以“A Weak DC-Drift Silicon/Lithium Niobate Heterogeneous Integrated Electro-Optical Modulator”为题被国际光电子领域顶会2024年美国CLEO(Conference on Lasers and Electro-Optics)会议接受为口头报告。
图1 通过“离子刀”异质集成技术实现大尺寸晶圆级硅基铌酸锂异质集成材料与芯片
硅光技术以其 CMOS 兼容、高集成度等突出优点而成为备受关注的新一代片上互连主流技术。电光调制器是光通信中的核心器件，硅基电光调制器在过去二十年中取得了长足的进步。然而，由于硅的间接带隙，以及中心反演对称性的晶体结构，低损耗、高线性度和高调制速率的集成电光调制器是目前硅基光电子技术中重要且亟待解决的部分。混合集成多种材料是硅光子技术未来发展的重要途径之一。铌酸锂(LN)具备极低的光吸收损耗以及高效的线性电光效应优异，被认为是大容量信号传输的竞争材料。为打破硅基调制器的性能限制，利用硅和铌酸锂的晶圆级键合技术实现两种材料的异质集成，为进一步提升硅上电光调制器性能提供了一个很好的解决方案，高速、高线性度铌酸锂薄膜电光调制器在未来ChatGPT AI芯片、数据中心、光通信芯片中有重要应用。
通过“万能离子刀”技术，铌酸锂薄膜可与硅光芯片实现大面积低缺陷密度的集成，两者结合展现出优良的电光调制性能。如图3为异质集成XOI团队孵化的上海新硅聚合制备的八英寸硅基铌酸锂异质晶圆，验证了该工艺路线进一步扩展至八英寸的可行性，未来可实现大规模的商业化制备。目前，上海新硅聚合已经实现六英寸光学级硅基铌酸锂异质晶圆的量产和数千片批量供应(占有率超过80%)，目前正在推动八英寸晶圆的工程化技术。
图2(a)八英寸SOI硅光芯片，(b)硅基铌酸锂调制器调制效率测试结果：VπL随三角波频率变化情况(c)眼图测试结果：88 Gbit/s (NRZ信号), 176 Gbit/s (PAM-4信号)
图 3 八英寸硅基铌酸锂异质晶圆
