IEEE SiPhotonics2025 | 基于硅上单晶钛酸钡的超紧凑型电光调制器
引言钛酸钡(BaTiO3或BTO)在过去十年中已成为硅基光电子中新一代电光器件的重要材料平台。这种材料在集成光子应用中具有优异的性能特性，特别适用于高速光通信、计算和传感领域。本文将探讨单晶BTO电光调制器在硅上的集成、制造和性能。
1钛酸钡技术简介钛酸钡拥有已知最大的泡克尔斯系数之一(1,300 pm/V)，使其成为电光应用的理想选择。与传统依靠等离子体色散效应的硅基光电子调制器不同，BTO利用泡克尔斯效应实现更优性能。这种铁电材料可以轻松集成到硅上，并且完全兼容CMOS制造工艺和硅基光电子代工厂。
BTO技术已经展示了令人印象深刻的成就，包括极低的电压-长度积(VπL)、高带宽、线性频率响应、低插入损耗、低功耗操作和高速数据传输。它是从近紫外到中红外光谱范围内的电介质材料，具有低光学损耗和较高的折射率。图1. RF溅射生长的晶体-玻璃500纳米厚BTO薄膜的基本层结构，背景显示RF溅射BTO生长在MBE生长的STO上，STO生长在SiO2-Si衬底上的透射电子显微图。插图显示RF溅射BTO薄膜的RHEED图案(左)和X射线衍射谱(右)，表明晶体生长质量优异。
2钛酸钡在硅上的集成BTO在硅上的集成始于使用分子束外延(MBE)沉积的关键钛酸锶(STO)缓冲层。这一缓冲层使得后续可以使用多种标准沉积工艺生长外延单晶BTO。研究人员已经开发出使用离轴射频溅射的更快速沉积方法，能生产光学级BTO薄膜。
设计使用BTO的电光调制器时，可采用两种方法：单片器件(直接在BTO中刻蚀)或在不同材料中制作的混合波导。本文主要关注使用a取向BTO材料的单片器件，这种取向能够利用非常大的r42泡克尔斯系数。
a取向BTO薄膜呈现四种可能的铁电畴构型：两个90°平面内晶体学畴，每个晶体学畴又可进一步分裂为两个180°铁电畴。虽然铁电畴壁可以通过极化消除，但晶体学畴壁仍然存在，可能导致光学损耗。
3单片器件制造单片BTO马赫-曾德尔干涉仪(MZI)器件已通过低损耗全BTO波导实现，提供了光学模式与非线性材料之间近乎完美的重叠。这些波导是由使用晶体-玻璃技术生长在硅绝缘体(SOI)衬底上的300纳米厚射频溅射a取向BTO(X,Y-切)制成。
制造过程涉及使用电子束(e-beam)光刻来定义BTO波导、锥形结构、分路器和光栅耦合器。图形化的电子束光刻胶作为蚀刻掩模，离子束研磨用于将暴露的BTO蚀刻到175纳米深度。对于需要电控的有源器件，第二次电子束光刻步骤定义器件接触，然后进行金属化和剥离工艺。
4电光器件性能BTO波导的初始表征重点关注传播损耗的确定。这是通过"切断法"实现的，其中输入/输出光栅耦合器结构由具有相等弯曲数量但总长度不同的波导连接。
最显着的发现之一是，即使在材料极化之前，通过这种切断法测量的波导光学损耗仅为0.7 dB/cm。对于马赫-曾德尔干涉仪，在0.75毫米长的器件中，实现π相移所需的电压约为10伏。这对应于电压-长度积(VπL)为0.75 V·cm，产生有效泡克尔斯系数reff = 207 pm/V。这一VπL值与最先进的铌酸锂(LN)调制器相当，同时保持与硅基光电子代工厂工艺的完全兼容性。图2. 使用电子束光刻和离子研磨制作的半径为50微米的高Q值环形谐振器的传输谱。插图显示环形谐振器器件的光学显微镜图像。
在单片BTO系统中制作的半径为50微米的环形谐振器展示了异常高的品质因数(Q ~105)，表明光学损耗非常低。从谐振峰测量中，提取出总损耗为2.3 dB/cm，主要归因于弯曲损耗。为了区分弯曲损耗和直波导损耗，制作了具有不同直段长度的赛道结构。对这些结构的分析显示弯曲损耗为1.4 dB/cm，直波导损耗仅为0.18 dB/cm，非常低。
5结论与未来展望基于BTO的集成电光调制器在过去十年中取得了显着的技术进步。这些器件已经证明能够克服传统硅基光电子等离子体色散调制器的带宽限制和功耗问题。这一进展使BTO硅基光电子技术有望成为各种应用中下一代电光调制器的首选材料。
BTO调制器的未来应用扩展到数据中心和光互连技术，包括光电共封装。此外，这些器件在光量子计算和神经形态计算平台等新兴领域也显示出应用潜力。
BTO/SiO2/Si晶圆的商业可用性以及这些材料展示的优异均匀性和结构质量，使BTO成为研究人员和工业界越来越容易获得的技术。随着持续的发展和优化，BTO基调制器有望在集成光子和高速光通信的未来发挥重要作用。
单晶BTO电光器件提供了高性能、CMOS兼容性和相对简单制造工艺的组合。凭借约105的品质因数，低于0.15 dB/cm的传播损耗，以及超过200 pm/V的有效泡克尔斯系数，这些器件代表了硅基光电子技术的重要进展。
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