摘要：硅基光电子技术通过与CMOS工艺兼容的特性，实现了光通信系统的大批量、低成本制造。然而，传统硅调制器面临基本物理限制，制约了其在下一代应用中的性能表现。硅材料缺乏泡克尔斯效应，只能依靠p-n结中的自由载流子色散效应，这种机制引入吸收损耗和非线性效应，限制了调制
引言
硅基光电子技术通过与CMOS工艺兼容的特性，实现了光通信系统的大批量、低成本制造。然而，传统硅调制器面临基本物理限制，制约了其在下一代应用中的性能表现。硅材料缺乏泡克尔斯效应，只能依靠p-n结中的自由载流子色散效应，这种机制引入吸收损耗和非线性效应，限制了调制效率和带宽性能。为克服这些限制，研究人员开发了三种将替代材料与硅基光电子平台集成的技术：薄膜铌酸锂(TFLN)、硅-有机混合(SOH)和等离子体-有机混合(POH)调制器。每种方法在高速光通信的不同应用场景中都具有独特优势[1]。
1硅调制基本原理
硅调制器通过自由载流子等离子体色散效应工作，载流子浓度变化改变折射率。这种机制涉及三个主要过程：通过正向偏置PN结的载流子注入、使用反向偏置结的载流子耗尽，以及在二氧化硅界面的载流子积累。
图1：硅基光电子技术中改变自由载流子浓度的三种基本方法：(a)载流子积累、(b)载流子注入、(c)载流子耗尽。载流子密度变化与折射率修正之间的关系遵循不同波长的特定方程。在1550纳米波长下，折射率变化取决于电子密度变化(ΔN)和空穴密度变化(ΔP)，通过精确表征的系数来描述。虽然这种方法能实现调制功能，但与具有泡克尔斯效应的材料相比，性能受到内在限制。
2薄膜铌酸锂技术
薄膜铌酸锂调制器利用铌酸锂优异的电光特性，同时解决了块状晶体光学约束不足的问题。铌酸锂表现出强烈的泡克尔斯效应特征，折射率随施加电场线性变化。材料的电光张量可以针对特定晶体方向简化，其中r33系数提供最强的电光响应。
图2：电光晶体的折射率椭球，其中k代表在没有施加电场时光束的波矢。薄膜铌酸锂器件的制造工艺利用Smart-Cut技术创建高质量的绝缘体上铌酸锂晶圆。这种复杂的制造方法涉及离子束注入、晶圆键合、热退火和精密抛光步骤，以实现增强光学约束所需的薄膜结构。
图3：使用Smart-Cut技术的完整薄膜铌酸锂马赫-曾德尔调制器制造工艺，显示了从(a)离子束注入到(k)最终二氧化硅沉积的各个步骤。薄膜铌酸锂调制器实现了令人印象深刻的性能指标，包括超过110GHz的带宽和低至1.2V·cm的VπL产品调制效率。然而，在制造复杂性方面面临挑战，需要精确的键合工艺，可能导致性能不均匀和更高的光学损耗。
3硅-有机混合调制器
SOH技术将硅基光电子技术与有机电光材料结合，创造高效调制器。这些器件利用填充有机聚合物的槽波导，有机聚合物具有大的电光系数，通常在300到500pm/V范围内，而铌酸锂仅为31pm/V。
图4：SOH调制器的九个主要制造步骤，从SOI衬底准备到槽波导的最终聚合物填充。槽波导设计将光场集中在硅导轨之间的窄间隙内，在硅-有机材料界面创建强场增强。这种配置最大化了光场和射频场之间的重叠，能够以低于1V的驱动电压实现高效电光调制。
图5：(a)槽波导光模场分布和(b)电极电压色散效应，展示了场增强如何实现高效电光调制。SOH调制器需要关键的极化工艺来排列有机发色团。制造过程中，器件被加热到玻璃转化温度，同时施加强电场来定向偶极分子。然后通过在保持电场的同时冷却来"冻结"这种排列，创建电光活性所需的非中心对称结构。
图6：SOH马赫-曾德尔调制器的工作原理，显示了极化电压如何创建排列的发色团，以推挽配置响应调制信号。有机材料的热稳定性对SOH技术提出了持续挑战。使用HLD1/HLD2等材料的先进交联方法可以将玻璃转化温度提高到175°C以上，在保持电光性能的同时，能够在高温下可靠工作。
4等离子体-有机混合技术
POH调制器代表最紧凑的方法，利用等离子体波导实现亚波长光约束。这些器件将金属-绝缘体-金属槽波导与有机电光材料结合，在极小的占用空间内实现调制，对于2V CMOS驱动要求，通常为25微米或更小。
图7：对称和反对称情况下的等离子体槽模式，展示了介电槽区域内的电场分布。等离子体方法将表面等离子体激元约束在填充有机材料的窄金属槽内。这种紧密约束创建了卓越的场增强，实现了低至0.06V·mm的VπL产品调制效率。金属电极同时用作射频传输线和光波导。
图8：POH调制器截面图，显示了(a)马赫-曾德尔结构、(b)射频场约束和(c)通过等离子体槽波导的光模传播。POH制造涉及复杂的电子束光刻技术来创建纳米级特征。工艺包括被动硅平台准备、PMMA涂层、精确曝光、金蒸发和最终有机聚合物沉积来填充等离子体槽。
图9：从原始绝缘体上硅到最终电光聚合物涂层的七步POH制造工艺。
5性能比较与应用
三种技术在不同应用场景中提供独特优势。薄膜铌酸锂调制器在需要超低插入损耗和高精度的长距离电信应用中表现卓越。热稳定性和线性响应使其成为需要长期可靠性能的应用的理想选择。SOH调制器在性能、尺寸和能效之间提供良好平衡。CMOS兼容性和适中的功率要求使其适用于数据中心互连和中短距离应用，在这些场景中空间和能耗是关键考虑因素。POH调制器实现超过500GHz的最高带宽和最小占用空间，非常适合需要卓越速度的超紧凑应用。每比特飞焦耳的能耗能够实现芯片到芯片通信和先进光电子集成线路的密集集成。
图10：比较了不同调制器技术在2V CMOS驱动下所需的相移器长度，显示POH实现了最紧凑的实现方案。这些技术的发展持续解决制造挑战和可靠性问题。虽然POH提供卓越的带宽和紧凑性，但面临更高的插入损耗。SOH提供平衡的性能和更容易的制造，而薄膜铌酸锂提供卓越的稳定性但需要复杂的制造工艺。每种技术都为硅基光电子技术的发展做出独特贡献，推动下一代光通信系统实现出色的性能能力。选择取决于具体应用要求，平衡带宽、功耗、占用空间和工作环境约束等因素。
参考文献
[1] T.-C. Yu, A.-C. Liu, W.-T. Huang, C.-C. Wu, C.-H. Li, T.-S. Kao, S.-W. Chang, C.-W. Sher, H.-Y. Lin, C.-W. Chow, and H.-C. Kuo, "Comparison of Thin-Film Lithium Niobate, SOH, and POH for Silicon Photonic Modulators," Photonics, vol. 12, no. 5, art. 429, Apr. 2025, doi: 10.3390/photonics12050429.
来源：卡比獸papa