铌酸锂薄膜调制器的研究进展

刘海锋，郭宏杰,2，谭满清,2 ，李智勇

（1. 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室，北京 100083；2. 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049）

1 引 言

在不断增长的物联网业务和大数据交互需求的共同推动下，要求光调制器具备大带宽、小体积、低光学损耗、低能耗、高集成度的特点。铌酸锂[1](Lithium Niobate，LN)材料制作的调制器与硅[2-3](Silicon，Si)、磷 化 铟[4](Indium Phosphide，InP)、聚合物[5](Polymers)、等离子体[6](Plasmonics)等材料制作的调制器相比，除了具有体积小、带宽高和损耗低的优点，还有良好的线性度以及较高的消光比[7-8]。

目前商用的LN调制器为使用质子交换(Proton Exchange，PE)工艺或者Ti扩散(Titanium-indiffusion)工艺制作的体波导器件，PE和Ti扩散工艺制备的波导折射率差Δn≈0.02，由于波导对光的限制能力较弱，故体波导器件往往体积大并且调制电压较高。国内外商用LN调制器的带宽在35 GHz以下，同时半波电压大于4 V，调制器长度大于5 cm[9-11]。近些年，随着波导加工工艺不断成熟，LN薄膜(Thin Film LN，TFLN)实现波导折射率差Δn>0.7，增强了波导对的光的限制能力，在减小调制器的体积的同时降低了调制电压。在最近的报道中，利用LN薄膜结构制备了调制带宽>100 GHz，半波电压与长度乘积VπL<2 V∙cm[12-13]的调制器，其性能在大多数方面优于目前商用铌酸锂调制器。LN薄膜调制器成为实现小型化、高带宽、低损耗、高集成度调制器的热门方案。

LN薄膜调制器由波导结构、耦合结构、电极结构3部分构成。波导结构影响调制器带宽、调制电压、调制长度、消光比、传输损耗等性能，耦合结构影响调制器的耦合损耗，电极结构影响调制器的调制带宽。根据应用场景不同，LN薄膜调制器分为强度调制器和相位调制器。强度调制器主要应用于长距离光纤通信领域，对调制器的带宽、体积、功耗要求较高，因此LN薄膜波导结构和电极结构在强度调制设计中较为关键。相位调制器主要应用于光纤传感和短距通信领域，调制器需要实现低调制电压、小体积、高消光比，因此需要重点关注LN薄膜调制器的波导结构和波导制作工艺。

本文对LN薄膜调制器的耦合结构、波导结构、电极结构的研究进展进行了详细梳理，对波导制作工艺进行了总结，并分析了不同结构调制器的性能，最后对LN薄膜调制器的发展趋势和应用前景进行了展望。

2 LN薄膜调制器结构研究进展

2.1 波导结构研究进展

2.1.1 薄膜平台结构

LN薄膜波导根据薄膜平台主要分为两大类：一类为绝缘体上铌酸锂薄膜(Lithium Niobate on Insulator，LNOI)，另一类为绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)。LNOI波导根据波导层工艺不同分为置换波导、加载波导和脊形波导，波导结构如图1所示。

图1 (a)～(c)LNOI结构：(a)置换波导；(b)加载波导；(c)脊形波导。(d)SOI结构Fig. 1 (a)～(c) LNOI structure: (a) diffused waveguide;(b) loaded waveguide; (c) ridge waveguide. (d) SOI structure

2.1.2 光学结构

LN薄膜波导使用的光学结构主要有相位型、干涉型和谐振腔型，其中干涉型和谐振腔型为强度调制。干涉型有马赫-曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)结构和迈克耳孙干涉(Michelson Interferometer，MI)结构。MI相比于MZI增加了光干涉长度，进而缩小了调制器的体积，其结构如图2所示。谐振腔型有微环(Micro-Ring Resonator，MRR)结构和光子晶体(Photonic Crystal，PHC)结构，光子晶体的Q值可以大于105，相比微环提高了1～2个数量级[14-15]，其结构模型如图3(彩图见期刊电子版)所示[16]。

图2 (a) MZI结构示意图；(b) MI结构示意图Fig. 2 Schematic diagrams of (a) MZI structure and (b) MI structure

图3 两种谐振腔输出端口光强分布图[16]。(a)微环结构；(b)光子晶体结构。蓝线为施加电场后波导的光学特性变化曲线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 耦合结构研究进展

为了匹配光纤与波导之间的光模式，需要相匹配的耦合技术降低损耗[17-18]。传统的耦合技术有边缘耦合(Edge coupling)，光栅耦合(Gratecoupling)和消逝耦合(Evanscent coupling)3种，其模型结构如图4所示[19]。

图4 (a)锥形耦合模型[19]；(b)反锥形耦合模型[19]；(c)光栅耦合模型[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]

边缘耦合方案有锥形波导(Tapered waveguides) (如图4(a))和反锥形波导(Inversely tapered waveguides) (如图4(b))两种结构。锥形结构可以实现1.5 dB/facet (TE)和 1.75 dB/facet (TM)的耦合损耗，但是制作难度大[20]。反锥形结构降低了制作难度，但带来了较大的耦合损耗[21]。为了提升耦合效率，反锥形结构和棱镜光纤配合使用，耦合损耗减小到(2.5±0.5) dB/face (TE)和6 dB/facet(TM)[22]。此外，研究者们还提出了一种新的反锥形耦合方案(双锥形结构)[23-24]。在脊形结构减小时，传统的单锥形结构会使得光向薄膜层转移，从而导致耦合效率变差，而双锥形结构可以使得光的模式很好地接近圆形，耦合损耗减小到0.5 dB/facet[25]。

光栅耦合模型如图4(c)所示，相较于边缘耦合，光栅耦合的优势在于制造工艺成熟，但制作过程中需要考虑光在衬底中的传播损耗，故耦合效率较低(3.5 dB/facet)[26-27]。

消逝耦合模型如图4(d)所示，其理论耦合效率可以达到100%。Yao[28]提出的基于LNOI的渐逝耦合方案实现了1.32 dB/facet (TE)和1.88 dB/facet (TM)的耦合损耗。

此外，Wang[29]提出将光纤集成到调制器中的新型耦合方案，其结构如图5(彩图见期刊电子版)所示[29]，通过对比表1可得，该新型的结构实现了较小的耦合损耗，为集成光电子提供了新颖的思路。

图5 光纤与调制器集成方案[29]。(a)调制器结构；(b)光在光纤中传播时的波导结构；(c)光在波导中传播时的波导结构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 不同耦合方案总结Tab. 1 Summary of different coupling schemes

2.3 电极结构研究进展

在铌酸锂调制器中，电极有如图6所示两种基础结构，图6(a)中波导置于两个电极之间，该结构适用X切Y传或Y切X传晶体传输TE单模光，图6(b)中波导置于电极之下，该结构适用X切晶体传输TM单模光。当波导置于电极下时，为了避免光在电极中产生损耗，需要在波导和电极之间增加缓冲层。

图6 铌酸锂调制器中的电极基础结构。 (a)电场方向平行波导芯层；(b)电场方向垂直波导芯层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

根据传输信号方向的不同，电极分为集总电极和行波电极，其结构如图7所示。集总电极中微波信号的传输方向垂直于光波的传输方向，而行波电极的微波信号与光波传输方向相同，行波电极结构可以实现高带宽调制器，广泛应用在高速调制器中。

图7 (a)集总电极结构；(b)行波电极结构Fig. 7 (a) Lumped electrode structure; (b) traveling wave electrode structure

集总电极在设计时需要考虑电极宽度W和间隙G。电极间隙和宽度的比值(G/W)与带宽正相关，同时电极间隙与调制器电压也正相关。如果要同时实现高带宽和低调制电压，则需要电极宽度足够小，但是电极宽度变小会带来两个问题。第一，电极宽度不能小于波导宽度，否则会影响电光积分参数，进而使得调制电压变大。第二，电极宽度变小会增大静电电阻，进而限制带宽[30]。

使用行波电极结构可以制造上百GHz带宽的调制器，其在设计中需要注意3点：第一，减小电极间隙G可以减小调制电压，但会增加电极损耗。第二，行波电极设计需要考虑阻抗匹配，行波电极的阻抗与单位长度电容有关，通过优化电极宽度W和电极间隙G可以获得50 Ω阻抗。第三，行波设计需要考虑速度匹配，行波电极调制器的调制带宽上限取决于微波在电极中速度和光波在波导中速度的匹配程度，如果微波在电极中的速度等于光波在波导中的速度，则理论上可以达到无限大的带宽，通过优化电极厚度和倾斜角度、增加 SiO2覆盖层的方法可以提高微波和光波的速度匹配率[31-32]。

金属电极一般用剥离技术制备，在最初，热剥离受限于光刻技术发展，制备的电极间隙和电极厚度在1 μm附近，最近，随着光刻技术和纳米压印技术的提升，可以实现nm级的电极间隙[33-34]。此外，金属电极也可以用刻蚀技术制备，虽然刻蚀工艺可以实现较大的电极厚度(>3 μm),但会增加电极宽度(>6 μm)[35]。

3 LN薄膜调制器波导工艺研究进展

3.1 LN薄膜平台工艺

LNOI通过将铌酸锂薄膜(Thin-Film Lithium Niobate，TFLN)与 SiO2键合制备而成。TFLN用晶体离子切片技术(Crystal Ion Slicing ，CIS)和热剥离(Thermal Exfoliation，TE)技术制备。CIS工艺适用于制备10 μm厚的薄膜[36]，TE工艺适用于制备亚微米(100～1 000 nm)薄膜[37]。LNOI的键合方案有两类：一类为使用TE工艺的直接键合方案，直接键合可以实现LNOI晶圆制备[38]；另一类为利用苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)的间接键合方案，由于退火后处于低温环境(300 ℃)，间接键合会造成离子损伤并影响晶体的电光特性[39]。LNOI的衬底根据材料不同分为LN衬底和硅衬底，LN衬底虽然工艺成熟，但会引起热电荷效应，影响器件性能。硅衬底可以避免这一影响，但是由于硅和LN的热膨胀系数不同，故键合需要在在室温下进行[40-41]

SOI键合TFLN将LN晶体优秀的光学性能与成熟的CMOS工艺相结合，极大地推动了集成光电子的发展。其制造过程分为两步[42]，第一步通过CIS和TE技术获得1 μm厚的TFLN，第二步将硅的微环结构在500 ℃下与TFLN直接键合到一起。

3.2 波导层工艺

3.2.1 置换工艺

置换方案有Ti扩散和质子交换(Proton Exchange，PE)两种。Ti扩散工艺制备的波导的折射率改变量为Δne=0.03, Δno=0.01，扩散深度可以达到4 μm[43]，适用于X、Y、Z切波导制作，但光折射和偏振会造成波导损伤[44]。PE工艺折射率改变量可以达到Δne=0.1, Δno=−0.04，但是制作的Y切面波导质量较差，在使用中通常利用X切面和Z切面。对于PE工艺，由于散射损耗会降低波导的光电性能，通过热退火(Annealing Proton exchange，APE)可以减少这些不良影响[45]。

基于LNOI的PE和APE工艺制作的LN薄膜波导器件虽然折射率改变量有所提升，但是该方案制备的波导对光的限制能力还是较弱，器件半波电压Vπ>10 V[46-47]。

3.2.2 脊形刻蚀工艺

传统的脊形刻蚀工艺有湿法刻蚀和干法刻蚀两种，近些年随着波导加工工艺的成熟，金刚石加工工艺和化学机械抛光也可制备LN脊形波导。刻蚀中的光刻掩膜板用铬[48]、无定形硅[49]、金属[50]或者光刻胶[51]等材料制作，电子束光刻技术(EBL)或UV光刻技术用于对掩模板定形。近几年，飞秒激光(Femtosecond laseretch)技术也用于光刻[52-53]。飞秒激光光刻的优点是脉冲持续时间短，从而减少了激光脉冲与材料之间的热相互作用，可实现清晰的刻蚀。

湿法刻蚀由于化学各向同性，刻蚀的波导有一定的倾斜度，严重影响波导对光的限制能力[54]。而干法刻蚀为物理刻蚀，具有各项异性，能够刻蚀理想的脊形结构。随着工艺的进一步成熟，干法刻蚀的反应离子刻蚀技术(Reactive Ion Etching，RIE)和电感耦合刻蚀技术(Inductive Coupled Plasma RIE，ICP-RIE)[55-56]可以实现小体积、低损耗的波导制备，成为刻蚀脊形波导最具前景的方案[57]。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polish，CMP)制作波导过程如图8(彩图见期刊电子版)所示[58]，在LNOI上沉积铬做掩膜层，飞秒激光光刻后，使用两次CMP对波导进行处理，第一次用于刻蚀LN，第二次用于平滑波导表面。该工艺的优点是不需要离子刻蚀，提高了波导表面的光滑度，降低了波导损耗。

图8 (a)～(d)CMP工艺流程图和(e)CMP系统结构图[58]Fig. 8 (a)～(d) CMP process flow chart and (e) CMP system structure diagram[58]

聚焦离子束铣削(Focused Ion Beam milling，FIBm)用于平滑波导圆柱侧壁，如图9所示[59]，图9(a)和图9(b)分别为FIB铣削之前和之后的图片。在FIB处理过程中，会引起LN晶格缺陷(空位)，但由于调制过程中不涉及自由载流子的运动，因此该缺陷在波导制作中可以忽略。

图9 (a) FIBm前及(b) FIBm后波导图像[59]Fig. 9 Waveguide image (a) before and (b) after FIBm[59]

金刚石切割(Diamond blade dicing)可以获得2～12 μm宽度的脊形结构[60]，结合CMP有利于降低传播损耗(1.4 dB/cm，TE)。金刚石切割工艺过程中会使用两次切割，如图10所示[61]，第一次在(b)步骤中，在离子注入的薄膜上切出50 μm的凹槽是为了防止在后面与SiO2键合时产生气泡，第二次切割将获得理想的脊形结构。这种方法可以获得很好的侧壁倾斜度(>65°)，但是波导容易断裂，并且端面会出现倾斜。

图10 金刚石切割制造波导过程[61]Fig. 10 Diamond cutting process for manufacturing waveguides[61]

上述制造工艺特点如表2所示，在实际制造过程中，为了降低损耗，通常将几种工艺混合使用，以达到理想的波导性能。

表2 不同刻蚀工艺对比Tab. 2 Comparison of different etching processes

3.2.3 脊形加载工艺

加载型脊形波导不需要刻蚀LN，成为了一种比较热门的方案。加载型工艺在LNOI上沉积的材料有Si3N4[62-65]、TiO2[66]、Ta2O5[67]、硫化物玻璃材料[68]。材料的损耗参考表3，其中Si3N4材料的折射率最接近LN，在加载型波导中有较广的应用。

表3 不同加载材料损耗比较Tab. 3 Comparison of loss of different loaded materials

4 LN薄膜调制器性能分析

由2.1.1节得，根据波导薄膜平台结构不同，LN薄膜调制器分为PE&APEonLNOI(基于LNOI的置换波导调制器)、RibloadLNOI(基于LNOI的加载型波导调制器)、RibEtchonLONI(基于LNOI的脊形波导结构调制器)、TFLNonSOI(基于SOI的薄膜结构调制器)。由2.1.2节得，根据波导光学结构不同，LN薄膜调制器分为PM(相位调制器)、MZM(马赫曾德干涉调制器)、MIM(迈克耳孙干涉调制器)、MRM(微环调制器)、PHCM(光子晶体谐振腔调制器)。不同调制器施加电压后输出光场变化如图11所示，本节对不同结构的LN薄膜调制器性能进行分析。

图11 调制器输出端口光场图。(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 半波电压长度积和可调谐性(Half-wave Voltage and Tunability)

对于相位调制器，半波电压(Vπ)是在器件在调制长度L上累计π相移所需的电压。对于干涉型调制器，半波电压也被叫做开关电压，是MZM或者MIM导通和关断所需的电压。半波电压长度积(VπL)是一个品质因数，用于衡量干涉调制器功耗性能和器件体积。以pm/V为单位的可调谐性是谐振腔类调制器的Vπ模拟，它表示调制器施加到电极的电压引起光共振的光谱仪偏移程度，VπL和可调谐性的近期研究进展如表4和表5示。

表4 V πL总结Tab. 4 V πL summary

表5 可调谐性总结Tab. 5 Tunability summary

如表4所示，与MZM相比，MIM可以实现更小的VπL，这是因为在相同长度的器件结构下，MIM有更长的光干涉路程，进而可以获得更小的VπL。在干涉型调制器中，Rib load on LNOI、Rib Etch on LNOI、TFLN on SOI均可实现较小的VπL(<2 V·cm)，Rib load on LNOI优势在于不需要刻蚀LN，降低了制作难度，TFLN on SOI的优势在于可以兼容CMOS工艺，该方案将极大促进光子集成的发展。而对于相位调制器，PE&APE on LNOI调制器VπL=6.5 V·cm，优于目前商用调制器VπL=20 V·cm，可以预见LN薄膜结构将极有可能成为新的商用方案。

另外，如表5所示，与微环结构相比，光子晶体结构可以获得更大的可调谐性，同时光子晶体结构具有更小的体积，在调制器的应用方面具有一定的优势。

4.2 光学损耗(Optical Loss)

调制器总的光学损耗分为耦合损耗和传播损耗，耦合损耗取决于输入光和波导模式之间的模式重叠大小，分析参考2.2节，传播损耗与波导制作工艺相关，分析参考2.2节。此外，MIM和MZM波导的不对称也会带来传播损耗，这会降低调制器的消光比，并影响线性调频性能。谐振腔调制器中的传播损耗与Q值相关，通常Q值越大，损耗越低。调制器光学损耗近期研究进展如表6所示。

表6 光学损耗总结Tab. 6 Summary of optical loss

由表6可得，基于LNOI结构干涉类调制器的光学损耗在2021年取得巨大进步，得益于耦合工艺的提升，新的双锥形耦合工艺将整体光学损耗由7 dB减小到3 dB[25]。得益于成熟的工艺，SOI结构调制器可以极大降低耦合损耗，进而降低整体的损耗(<1 dB)。而受限于耦合方案的损耗，相位调制器有较大损耗(>8.4 dB)，采用双锥形耦合工艺有望降低整体损耗。

4.3 消光比(Optical Extinction Ratio，OER)

理想MZM和MIM的OER无限大，但是制造的不完美 (两臂分光不匹配，损耗失衡)导致OER有限。谐振腔调制器的OER由谐振腔的无源光谱响应决定，而该响应又与谐振腔的耦合系数、传输损耗有关。调制器的具体应用确定了可接受的OER范围，比如长距离通信需要OER>20 dB，而在某些交换应用中需要OER>30 dB, 短距离较低的OER也可以传输信号。消光比近期研究进展如表7所示。

由表7可得，MZM虽然未实现理想的对称结构，但仍具有大消光比的优势(30 dB)。而与微环结构相比，虽然光子晶体结构实现了更高的Q值，但OER不占优势(11.5 dB)，这将限制其在特定场景中的应用。

表7 消光比总结Tab. 7 Summary of OER

4.4 调制带宽(Modulation Bandwidth)

调制带宽是衡量载波携带信息量的重要参数，调制器带宽近几年研究进展如表8所示。由表8可知，MZM结构是实现高带宽(>100 GHz)的理想结构，在已有报道中，SOI衬底和LNOI结构都可以实现高带宽，LNOI结构有更大的带宽发展空间，但是如果考虑光子集成，SOI衬底具有更大的优势。

表8 3 dB带宽总结Tab. 8 Summary of 3 dB bandwidth

4.5 调制速率(Modulation Rate)

调制速率指单位时间内载波参数变化的次数，其一方面与器件结构有关，另一方面与调制方案有关，常见的光调制方案有开关键控 (OOK)、不归零 (NRZ)、正交调幅 (QAM)、正交相移键控(QPSK)和四级脉冲幅度调制 (PAM-4)。调制速率近期研究进展如表9所示，从表中可以看出，在所有干涉类调制器中，MZM结构是实现高调制速率(>100 Gbit/s)的理想结构,同时如果要实现更高速率调制器，需要使用QPSK和QAM调制方案，其由多个MZM级联而成，对器件设计有较高的要求。

表9 调制速率总结Tab. 9 Summary of modulation rate

5 结 论

综上所述，LNOI结构有实现更高带宽的潜在能力，而SOI结构有较低光学损耗和方便光子集成的优势。基于LNOI结构的调制器光学损耗大于SOI结构调制器的原因在于耦合损耗较大，虽然渐逝耦合方案和集成耦合方案可以实现较低的损耗，但是制作工艺难度大。双锥形耦合方案可以在降低损耗的同时降低工艺难度，其将是未来LNOI结构调制器的理想耦合方案。在LNOI 3种不同的波导层工艺中，置换波导结构对光场的限制能力小于加载型结构和脊形结构，并且随着刻蚀工艺的成熟，脊形结构的光传播损耗小于加载型结构，因此未来将会出现更多基于LNOI的脊形结构的高带宽调制器研究。

在相位调制器应用中，将面临消光比和传输损耗的问题，解决途径主要是优化波导的加工工艺以及对芯片和耦合光纤进行镀膜加工。而强度调制器主要应用于长距离光纤通讯，对带宽要求较高。基于TFLN on SOI结构的MZM可以实现小型化、高带宽、低损耗、低功耗的调制器，并且多个实验室已经成功实现制备，其性能远超目前的商用调制器，该结构极有可能是未来强度调制器的主流设计，其难点在于波导制备工艺复杂，在商业化应用上还需要一定的时间。因此，如何优化制备封装等工艺，将是下一步研究的重点。