胡祥建 馮 松 馮露露 王 迪 劉 勇陳夢林 丁斌斌 韓 超 韓小祥

(西安工程大學理學院 西安 710048)

1 引 言

光子調制器是光子集成的核心器件，特別是在通信領域，它具有將電數(shù)據(jù)寫入光載波的功能。隨著硅光子技術的快速發(fā)展，世界各大研究機構都開始研發(fā)各種高性能的器件[1-3]，而調制器作為通信領域的核心器件之一，引起了全世界的關注。目前，對調制器的研發(fā)集中于亞微米絕緣體上硅(Silicon On Insulator，SOI)波導。然而，亞微米 SOI 波導存在高光纖耦合損耗、高偏振相關損耗、大波導雙折射和相位噪聲等問題[4-7]?，F(xiàn)有亞微米器件的一些缺點，可能成為實現(xiàn)下一代片上光互連器件的主要障礙，用亞微米 SOI 波導集成的器件要克服這些障礙仍需做大量的研究工作。硅基高速光子調制器是一個關鍵構建模塊，可以為未來的光互連和通信系統(tǒng)提供解決方案。

一般來說，硅基光子調制器的調制機制分為兩種：強度調制和相位調制。強度調制主要通過改變電壓、溫度等偏置條件，來改變折射率的大小從而進行調制；相位調制主要是在調制器中加入移相器，通過改變電壓大小，使吸收系數(shù)發(fā)生改變進而實現(xiàn)調制。與強度調制相比，相位調制由于采用干涉技術而具有很高的檢測靈敏度和極大的動態(tài)測量范圍，抗干擾能力強；且調制器形式靈活多樣，可適用于多種物理量和不同的測量環(huán)境，因而被廣泛使用。硅基光子調制器可以采用 SOI 材料、鍺硅(SiGe)材料、鍺(Ge)材料、鐵電材料、有機光電材料、III-V 族材料和石墨烯材料等進行制作?；瘜W氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法是常用的外延材料制備技術，其中，減壓化學氣相沉積(Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition，RPCVD)法具有成本低、效率高、薄膜質量好等優(yōu)點，是適合工業(yè)量產(chǎn)的外延工藝之一。早在 2011 年，中國科學院卞劍濤的課題組已提出采用 RPCVD 法在 Si 襯底上生長出高質量的 Ge 薄膜[8]。同年，蘭州大學陳達的課題組也采用 RPCVD 法在硅(Si)襯底上制備出了組分約為 20% 的高質量 SiGe 薄膜[9]。此外，制備 SiGe 薄膜的方法還有分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)以及超真空化學氣相沉積(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition，UHVCVD)。磁控濺射是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)的一種，一般的濺射法可用于制備金屬、半導體、絕緣體等多種材料，且具有價格低廉、適應性強、制備技術成熟的特點。對于單晶薄膜，磁控濺射已經(jīng)實現(xiàn)了鈦酸鹽系、鉍系單晶薄膜的制備，以及低居里溫度的鐵電薄膜的制備，且具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優(yōu)點。通過磁控濺射已經(jīng)實現(xiàn)的鐵電薄膜有鈮酸鋰(LiNbO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)等。分子束外延是一種在晶體基片上生長高質量晶體薄膜的新技術，具有能精確控制厚度、結構與成分，以及形成陡峭的異質結構等優(yōu)點。2015 年，上海大學楊文獻的課題組提出基于分子束外延方法制備高質量的 InGaAsP 薄膜[10]。自單層及多層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯的制備便受到廣泛關注。石墨烯的制備方法一般有3 種：機械剝離法；化學合成法，如 CVD 法和氧化還原法等；特殊的制備方法，如有機合成和碳納米管軸向切割法等。

近年來，硅基光子調制器的性能有了顯著提升。但采用傳統(tǒng)硅材料制成的調制器，其調制速度并不理想，這是由于硅材料沒有一階電光效應，且高階電光效應十分微弱。因此，采用傳統(tǒng)硅材料制成的調制器一般都是基于等離子色散效應。等離子色散效應是指在外加電場的作用下，使有源區(qū)的自由載流子濃度發(fā)生改變，進而改變輸出光波的幅值和相位，從而實現(xiàn)電光調制。但是，由于受到載流子本身壽命的限制，調制器的速度并不是很高，因此，采用其他材料或結構制成調制器的研究已迫在眉睫。隨著硅基半導體工藝的發(fā)展，硅基光子調制器已經(jīng)成為了主流器件。通過大量實驗證明，將其他材料與 SOI 波導結合，實現(xiàn)調制的混合器件已經(jīng)取得了長足的進展，包括 III-V 族材料[11]、聚合物[12]、Ge[13]和石墨烯[14]等材料。為進一步研究硅基光子調制器，本文對基于 SOI 材料、SiGe 材料、Ge 材料、鐵電材料、有機光電材料、III-V 族材料以及石墨烯材料等硅基光子調制器的研究現(xiàn)狀進行了討論，并對相關調制器的調制速率、插入損耗、消光比等參數(shù)進行了對比和分析，為未來繼續(xù)研發(fā)高速率、低損耗的光子調制器提供了思路。

2 基于 SOI 材料的調制器

SOI 是指在具有絕緣層的硅襯底上生成一層單晶硅薄膜，或是通過絕緣層(通常為 SiO2)將單晶硅薄膜與支撐的硅襯底分離的一種材料。基于硅材料和硅集成電路制造方面的成功經(jīng)驗，SOI 技術具有其獨特的優(yōu)勢。采用 SOI 材料所制備的 CMOS 器件具備良好的無閂鎖效應及低功耗、高運行速率等優(yōu)點，其也是制備微納米光子器件的理想襯底材料。近年來，隨著商用光電子與微電子技術的快速發(fā)展，SOI 技術已成為商用光電子和微電子領域的主流技術，已被廣泛應用于光波導器件、光通信器件、抗輻照硅集成電路和高速微電子集成器件等重要的商用信息技術領域，是國際公認的“21 世紀的半導體新技術”。

2012 年，英國薩里大學 Thomson 的課題組首次提出了調制速率為 50 Gb/s 的硅光調制器[15]。該調制器是在馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder，MZ)干涉儀中加入相位調制器得到的，通過實驗仿真，結果顯示該調制器在波長為 1 550 nm 處，其消光比為 3.1 dB，相應的插入損耗約為 3.7 dB。相位調制器截面圖如圖 1 所示，該器件設計的一個關鍵優(yōu)點是制造過程相對簡單，其被設計成內脊高為 220 nm、脊寬為 400 nm、平板高度為100 nm 的脊型波導結構。與平板高度為 50 nm 的器件相比，100 nm 的平板高度具有更低的接觸電阻和側壁粗糙度。該器件脊型區(qū)和一側的平板區(qū)是 P 型摻雜，另一側的平板區(qū)是 N 型摻雜，由于P 型區(qū)域的摻雜濃度低于 N 型區(qū)域，使得在反向偏壓條件下，耗盡層主要延伸到脊型區(qū)，這種摻雜比例可以有效降低插入損耗。

圖1 相位調制器截面圖Fig. 1 Cross section of phase modulator

2013 年，中國科學院半導體研究所 Xiao 的研究小組設計了一種在 1 550 nm 波長下工作，基于橫向 PN 結結構的高速硅 MZ 調制器[16]，調制速率高達 60 Gb/s，該速率是目前報道中通信波段單個調制器芯片的最高速率。該調制器是在200 mm 厚的 SOI 晶圓上制備的，頂層硅厚度為340 nm，埋氧層厚度為 2 μm，該調制器的截面圖和俯視圖如圖 2 所示。

圖2 MZ 調制器的截面示意圖和俯視圖Fig. 2 Section diagram and top view of MZ modulator

2018 年，英國南安普頓大學 Cao 的課題組設計了在 1 950 nm 波長下，基于 SOI 材料的高速調制器[17]。該調制器被設計成基于 PN 結結構的 MZ 干涉儀，其調制速率為 20 Gb/s，該速率是目前報道中紅外調制器的最高速率。通過實驗仿真，結果顯示該調制器在 1 950 nm 波長處的插入損耗為 13 dB，明顯高于 1 550 nm 波長處的插入損耗值(4 dB)，這種差異是因為波導在直接穿過金屬層下面區(qū)域時被金屬吸收。該結構的波導層頂部和金屬層底部之間的垂直距離只有 600 nm，在 1 950 nm 波長處的光學模場較大，因此與金屬之間存在較大的重疊。由于帶寬的限制，該實驗無法獲得在 2 μm 波長下，調制器速率大于20 Gb/s 的眼圖數(shù)據(jù)，但由于 PN 結在 1 950 nm和 2 μm 波長處的帶寬非常相似，因此，該實驗預測所設計的調制器可以具有更高的調制速率。該調制器的截面圖如圖 3 所示，器件是在頂層硅厚度為 220 nm 的 SOI 波導上制作的，脊波導寬為 550 nm，平板區(qū)刻蝕深度為 90 nm。PN 結位于波導的中心，高摻雜區(qū)寬度分別為 1.125 μm(N型)和 1.025 μm(P 型)，圖中 N、P、N＋、P＋區(qū)域的摻雜濃度分別為 3e17 cm－3、8.5e17 cm－3、le20 cm－3和 le20 cm－3。

圖3 MZ 調制器的橫截面Fig. 3 Cross section of MZ modulator

2019 年，日本富士通實驗室 Sobu 的研究小組提出了一種基于載流子注入等離子色散效應的 Si MZ 調制器[18]。該調制器是基于帶無源電阻電容(Resistor-Capacitor，RC)均衡器的正向偏置 PIN 二極管的設計，通過對其改進制作了一種Si MZ 調制器，證明了在 50 Gbaud 以上高速運行的可行性。圖 4 為 Si MZ 調制器截面圖，基于摻雜脊波導的非對稱 Si MZ 調制器結構是在 SOI 晶片上制作的，該晶片由一個 220 nm 厚的 Si 層和一個 3 μm 厚的埋氧層組成，正向偏置的 PIN 移相器在 480 nm×220 nm 波導的芯層內有一個未摻雜的本征區(qū)。通過在無源均衡器的電容器中引入金屬-絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)結構，實現(xiàn)了 37.5 GHz 的 3 dB 帶寬，調制效率測量為 2 V·cm。在大信號實驗中，當消光比大于1.38 dB 時，獲得了高達 70 Gbaud 不歸零編碼信號的清晰眼圖。這些結果都清楚地表明了全硅調制器用于高速和低功耗芯片的可行性。

圖4 Si MZ 調制器的截面圖Fig. 4 Cross section of Si MZ modulator

為了對 SOI 材料調制器進行更為清晰的對比，表 1 列出了近年來基于不同調制結構的 SOI 光子調制器的性能參數(shù)。由表 1 可知，在 1 550 nm的工作波長下，Xiao[16]和 Timurdogan[19]等人設計的光子調制器的插入損耗較低，均為 1.20 dB；此外，與其他工作在 1 550 nm 波長下的光子調制器相比，Xiao 等[16]設計的光子調制器還具有較高的調制速率以及較大的帶寬(3 dB)。

表1 調制器性能參數(shù)Table 1 Modulator performance parameters

3 基于 SiGe 材料的調制器

目前，采用傳統(tǒng)硅材料制成的調制器的調制速率已經(jīng)達到 50 Gb/s，但進一步提高調制速率是十分困難的。與 Si 材料相比，SiGe 材料具有更高的載流子遷移率，其制備工藝與 CMOS 工藝相兼容，且材料本身具有很強的電吸收(EA)效應，利用弗朗茲-凱爾迪什(Franz-Keldysh，F(xiàn)K)效應或量子限制斯塔克效應，就可以使其工作在吸收邊界波長處。SiGe 材料作為一種制作高速率器件的理想材料，具有調制帶寬大、調制效率高、消光比高、插入損耗低等優(yōu)點，尤其在中紅外波段方面有著良好的應用前景。

2012 年，美國 Kotura 公司和 Sun 實驗室聯(lián)合演示了一種高速 SiGe 電吸收調制器[30]。該調制器利用 FK 效應，采用水平 P-I-N 結構，設計集成在一個 3 μm 厚的 SOI 波導上，其工作波長為 1 546～1 581 nm。當波長為 1 550 nm、擺幅電壓為 2.8 V 時，器件的插入損耗為 5.0 dB，消光比為 6.0 dB。該器件在 1 550 nm 波長處的插入損耗較大，損耗主要來源于沒有施加電壓時 SiGe的吸收損耗，以及 Si 波導和 SiGe 波導之間的模式失配損耗。3 dB 帶寬測量結果表明，該器件在2.8 V 反向偏壓下，3 dB 帶寬為 40.7 GHz。其結構示意圖如圖 5 所示，當光從脊 SOI 波導傳播到調制區(qū)域時，在有源區(qū)(SiGe)被吸收，吸收的量取決于 P-I-N 結的施加電壓大小。這種水平的P-I-N 結構使得 SiGe 區(qū)域非常狹窄，降低了實現(xiàn)高消光比所需的擺幅電壓。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，該調制器的漏電流很大，產(chǎn)生這種高漏電流的一個可能原因是 SiGe 和 Si 之間的界面處存在過高的缺陷密度；另一個可能原因是鈦/鋁金屬在干法刻蝕后存在金屬殘留。通過優(yōu)化 SiGe 材料的生長和后退火條件，或是對鈦/鋁金屬進行過度刻蝕來除去金屬殘留，可以顯著降低漏電流。這種器件的優(yōu)點是體積小、速度快、功耗低。

圖5 SiGe FK 調制器截面圖Fig. 5 Cross section of SiGe FK modulator

2016 年，比利時根特大學 Srinivasan 的課題組采用了與 Ge 波導電吸收調制器[31]類似的橫向 P-I-N 二極管設計，演示了一種調制速率為50 Gb/s 的 SiGe 波導電吸收調制器[32]。其截面示意圖如圖 6 所示，該調制器寬度為 0.6 μm、長度為 40 μm，集成在 220 nm 厚的 SOI 波導上。通過實驗仿真，結果表明，SiGe 電吸收調制器在室溫下的最佳工作波長為 1 560 nm。其 3 dB帶寬大于 50 GHz，在－1 V 偏置電壓下結電容為 13.8 fF。當擺幅電壓為 2 V 時，直流消光比為(4.2±0.3)dB，插入損耗為(4.4±0.6)dB，鏈路功率損耗為 8.5 dB。當調制速率為 50 Gb/s 時，該實驗還在波長為 1 560 nm、擺幅電壓為 2 V的條件下，測試出了該調制器的動態(tài)消光比為3.0 dB。

圖6 SiGe 電吸收調制器截面圖Fig. 6 Cross section of SiGe electro absorption modulator

2016 年，西安工程大學馮松的課題組提出了一種新型 Si/SiGe/Si 雙異質結 P-I-N 電學調制結構[33]，該結構波導寬度W為 450 nm，平板高h為 50 nm，內脊高H為 220 nm，其中，N＋、P＋以及 I 的摻雜濃度分別為 1e19 cm－3、1e19 cm－3、1e15 cm－3，Ge 含量為 0.2。其結構示意圖如圖 7所示，通過模擬仿真其載流子濃度與調制電壓的關系，對比 SiGe-OI 以及 SOI 兩種 P-I-N 電學調制結構發(fā)現(xiàn)，這種雙異質結 P-I-N 電學調制結構可以在更小的調制電壓下獲得更高的載流子注入效率，且更便于調制，可有效減小調制電壓并進一步降低調制功耗。

圖7 Si/SiGe/Si 雙異質結Fig. 7 Si/SiGe/Si double heterojunction

2018 年，英國南安普頓大學 Mastronardi 的課題組提出了一種在 1 566 nm 波長下工作的低功耗 Si/SiGe 異質結電吸收調制器[34]。該調制器基于 FK 效應，尺寸為 1.5 μm×40 μm。在調制速率為 56.2 Gb/s 下對該調制器進行測量，測量結果表明該調制器具有 5.2 dB 的動態(tài)消光比和44 fJ/bit 的調制功率。此外，56 GHz 的 3 dB 帶寬證明了該設計方法在高速應用方面的領先能力。該調制器選用了一種環(huán)繞式 P-I-N Si/SiGe 異質結構，并在 800 nm 厚的 SOI 平臺上實現(xiàn)。其結構示意圖如圖 8 所示，在一個寬 1.5 μm 的脊波導上集成了一個二極管，P 摻雜定義在一個 100 nm厚的硅層(綠色)，本征區(qū)(總厚度 600 nm)包括底部的 Ge 層(黑色)和 SiGe 區(qū)域(金色)，其中 N摻雜(厚度為 100 nm)沿著脊波導頂部的輪廓(橙色/紅色區(qū)域)。顯然，這種設計是有利的，因為電場分布與波導寬度無關，并且還可根據(jù)需要對波導寬度進行調整，以改善光學模式的偏振和光學約束的傳播。這種異質結結構的設計也為高速緊湊型電吸收調制器提供了一種簡單、可定制的制造工藝。

圖8 調制器橫截面示意圖Fig. 8 Cross section diagram of modulator

表 2 為近年來基于同種材料的 SiGe 光子調制器的性能參數(shù)。由表 2 可知，對于相同材料、相同結構且都采用 FK 效應制作的調制器，其各方面性能有所不同，是因為 SiGe 在整個 Si 中含量的占比大小，會直接影響器件調制速率的大小。此外，SiGe 里 Ge 的含量雖相比于 Si 占比很小，但由于 Ge 的遷移率比 Si 的遷移率快得多，因此，Ge 含量越高，載流子遷移率越高，通過調節(jié) Ge 的含量大小可以優(yōu)化器件特性 。但并不是 Ge 的含量越高越好，因為 Ge 存在吸收損耗，會使調制器具有較大的損耗，所以一般調制器都是采用低 Ge 含量設計的。

表2 調制器性能參數(shù)Table 2 Modulator performance parameters

4 基于純 Ge 材料的調制器

Ge 材料主要應用于半導體電子器件、光導纖維、紅外元器件、太空用太陽能電池等領域。與 Si 材料相比，Ge 材料在大功率器件中具有明顯優(yōu)勢。目前，基于 Ge 材料制備的紅外器件已應用于軍事遙感和空間科學技術，如紅外通信、紅外偵察及各種軍事目標的偵測與搜索等。Ge 材料具有很強的電吸收效應，利用這種效應，很多于 Ge 材料的高速調制器進行了研究。

圖9 Ge 電吸收調制器的截面示意圖和俯視圖Fig. 9 Cross section and top view of Ge electro absorption modulator

2015 年，比利時根特大學 Srinivasan 的課題組研發(fā)了一種帶寬超過 50 GHz 的 Ge 波導電吸收調制器[31]。該調制器利用 FK 效應，在 1 610 nm 的工作波長下，調制速率高達 56 Gb/s。對其施加2 V 的驅動電壓，可實現(xiàn)高達 3.3 dB 的動態(tài)消光比，該器件的結電容僅為 12.8 fF，靜態(tài)功耗為1.2 mW。通過相關實驗得出，該調制器在實現(xiàn)以 56 Gb/s 或更高速率進行短程光互連的高密度和低功率硅光子收發(fā)器方面具有巨大的潛力。如圖 10 所示，該調制器集成在 220 nm 厚的 SOI 平臺上，采用 RPCVD 法在 110 nm 深的凹硅區(qū)選擇性地生長 Ge。晶圓經(jīng)過退火以降低螺紋位錯密度，Ge 層經(jīng)過化學機械拋光，最終厚度為 350 nm。Ge 通過離子注入形成 N 型和 P 型區(qū)域。由于 Ge外延層與 Si 襯底之間熱膨脹系數(shù)不匹配，Ge 電吸收調制器顯示出 0.2% 的拉伸應變，將帶隙從0.8 eV(1 550 nm)移動到 0.78 eV(1 580 nm)，其在 Pantouvaki[40]和 Ishikawa[41]等人的研究中均有相關驗證。

圖10 集成在 220 nm 厚的 SOI 平臺上的 Ge 電吸收調制器的截面示意圖Fig. 10 Cross section diagram of Ge electro absorption modulator device integrated on 220 nm SOI platform

表 3 為近年來基于相同材料的 Ge 光子調制器的性能參數(shù)。從 Liu 等[42]的研究可知，電吸收調制器的 3 dB 帶寬僅受器件 RC 時間常數(shù)的限制，減小器件電容是實現(xiàn)更高調制速度的有效途徑。當增大反向偏置電壓時，器件的本征區(qū)由于載流子耗盡而增大，因此 P-I-N 結的電容減小，這使得 RC 時間常數(shù)更小，調制速度更高。為了得到更高的調制速度，可以將其尺寸設計得更小，但這對其工藝的要求較高；或可通過合理設計器件電極，減小器件電容來實現(xiàn)更高的調制速度。

表3 調制器性能參數(shù)Table 3 Modulator performance parameters

5 基于鐵電材料與有機光電材料的調制器

鐵電材料具有優(yōu)異的物理性能，其除具有鐵電性外，還具有聲光效應、光電效應和非線性光學效應等性能，可用于制備傳感器、波導管等器件。鐵電材料擁有廣闊的應用前景，因而備受關注。

有機光電材料具有帶寬大、響應速度快、驅動電壓低、介電常數(shù)低、電光系數(shù)大和易于加工等優(yōu)點。這些優(yōu)勢是無機/半導體材料所無法媲美的，因此，有機光電材料受到了廣泛的關注，并被認為是制備高性能電光器件和實現(xiàn)超高帶寬以及信息快速處理傳輸?shù)年P鍵。

5.1 LiNbO3 與硅光子集成

LiNbO3晶體是一種多功能鐵電材料, 具有良好的聲光、非線性光學、電光等特性，被稱為光子學領域中的“硅”。基于 LiNbO3材料的集成光子學平臺，由于其出色的光學特性，已被廣泛應用在快速電光調制、非線性光學頻率轉換和頻率梳生成等方面。LiNbO3作為一種被廣泛應用的調制器材料，可以實現(xiàn)帶寬大于 35 GHz 的高速調制器[44-45]，且這類調制器已長期應用于光纖網(wǎng)絡中[46]。

2019 年，中山大學 He 的課題組提出了一種混合 Si/LiNbO3MZ 調制器。該調制器使用了兩層混合集成波導和垂直絕熱耦合器[47]。垂直絕熱耦合器可以在 Si 波導和 LiNbO3波導之間進行光信號傳輸，這種方法有效地利用了 LiNbO3膜。該器件具有電光帶寬大、調制效率高、片上插入損耗低等優(yōu)點，為未來高速、節(jié)能的光通信網(wǎng)絡開辟了新途徑。此高性能調制器通過基于 LiNbO3波導與低損耗硅電路的無縫集成來實現(xiàn)。通過仿真實驗，成功得到了高達 100 Gb/s 的開關鍵控調制和高達 112 Gb/s 的四級脈沖振幅調制。LiNbO3波導截面示意圖如圖 11 所示，LiNbO3波導作為該器件中最關鍵的組成部分，必須進行優(yōu)化，以實現(xiàn)高調制效率和低光損耗。所制作的波導的頂部寬度為w＝1 μm，平板厚度為s＝420 nm，脊高為h＝180 nm，波導和電極之間的間隙被設為2.75 μm。這些參數(shù)旨在實現(xiàn)調制效率和光學損失(包括金屬吸收和側壁散射損失)之間的平衡，電極以接地-信號-接地(Ground-Signal-Ground，GSG)的形式配置，其中，兩個 LiNbO3波導分別位于接地和信號金屬之間的兩個間隙中。為了實現(xiàn)較大的電光帶寬，電極以行波的方式操作，并優(yōu)化了阻抗匹配，以及微波和光信號的速度匹配，電極的厚度設為t＝600 nm，信號和接地電極的寬度分別設為ws＝19.5 μm 和wg＝30 μm。

圖11 LiNbO3 波導截面示意圖Fig. 11 Schematic diagram of LiNbO3 waveguide section

5.2 BaTiO3 與硅光子集成

BaTiO3是一種很有希望與硅光子(Silicon Photonics，SiPh)平臺集成的材料。BaTiO3具有較高的泡克爾斯(Pockels)系數(shù)(在大體積形式中，LiNbO3的 Pockels 系數(shù)僅為－30 pm/V，而 BaTiO3提供了高的 Pockels 系數(shù)(＞1 000 pm/V))[48]，具備與硅襯底集成的可行性，并有高速調制的能力[49]。BaTiO3材料還具有化學熱穩(wěn)定性[50]、可集成、低損耗[51]等優(yōu)點。目前，Si/BaTiO3混合技術已取得了一些進展，包括低傳輸損耗的無源結構、有源光開關[49]以及在光子器件中[52-53]的高速調制等。

2018 年，瑞士 IBM 研究所 Eltes 的研究小組設計了一種基于硅襯底的 BaTiO3電光器件[53]。通過實驗仿真，證實了在 Si/BaTiO3電光器件中存在 Pockels 效應，該小組還證實了相同的實驗結果，可以采用 BaTiO3的 Pockels 系數(shù)(r42＝923 pm/V)來復現(xiàn)，且所采用的 Pockels 系數(shù)是截至 2018 年所報道的 Si/BaTiO3電光器件中的最高值。Si/BaTiO3移相器的橫截面如圖 12 所示，其中，BaTiO3層厚度為 225 nm，二氧化硅層厚度為2 μm。首先，將 BaTiO3沉積在具有 100 nm 厚 Si層的 SOI 晶片上；其次，通過直接晶圓鍵合將BaTiO3和器件硅層轉移到另一個具有厚熱氧化物的硅片上；最后，在移除施主晶圓后，將硅層圖案化為波導。其中，退火步驟確保了器件具有低的傳輸損耗。移相器是通過沿波導制作電極來施加平面內電場形成的。當 BaTiO3層以外延方式沉積時，器件的電光響應強烈依賴于外加電場、光場和晶體軸的相對方向。鈦酸鋇材料的這種各向異性是 Pockels 效應的一個關鍵特征，在以往的 Si/BaTiO3光子器件中還未被證實。為了探究這種各向異性，該實驗設計了兩種不同的波導幾何形狀，并最終得到超過 25 GHz 的強電光響應，展現(xiàn)出了其高速調制的巨大潛力。

圖12 Si/BaTiO3 移相器的橫截面圖Fig. 12 Cross section of Si/BaTiO3 phase shifter

5.3 有機光電材料與硅光子集成

2020 年，德國卡爾斯魯厄理工學院 Kieninger的課題組演示了一種高效的硅有機混合體(Silicon-Organic Hybrid，SOH)MZ 調制器[54]，該調制器是在新加坡 A*Star 微電子研究所(IME)200 mm 厚的 SOI 晶片上用紫外光刻制而成的。MZ 調制器的兩臂各包含 280 μm 長的移相器，因此所制成的調制器面積小。移相器的插入損耗僅為 0.7 dB，這是迄今為止 SiPh 平臺上高速 MZ 調制器所報告的最低移相器損耗。移相器截面示意圖如圖 13 所示，波導由兩條寬度Wrail＝240 nm、高度為 220 nm 的硅軌構成，再由一條寬度Wslot＝130 nm 的狹縫從中隔開，兩條硅軌通過高度為70 nm 的 N 摻雜硅板層與底部金屬層的 GSG 傳輸線電連接，2 μm 厚的埋氧層將波導與硅基板分離。3 μm 厚的二氧化硅包層覆蓋整個芯片，并在移相器上方選擇性打開，用來沉積高效的有機光電(OEO)材料[55]。

圖13 移相器截面示意圖Fig. 13 Section diagram of phase shifter

表 4 為近年來基于鐵電材料與有機光電材料的調制器性能參數(shù)。對表 4 數(shù)據(jù)分析可得，與其他 Pockels 調制器相比，有機電光調制器具有較好的調制效率，Kieninger 等[56]所提出調制器的最低調制速率為 0.032 V·cm，且能耗明顯低于混合 Si/LiNbO3電光調制器。混合 Si/BaTiO3電光調制器的調制效率要優(yōu)于混合 Si/LiNbO3電光調制器，主要是因為 LiNbO3的 Pockels 系數(shù)要遠小于 BaTiO3，而 Pockels 系數(shù)越大，器件的調制效率就越好。

表4 調制器性能參數(shù)Table 4 Modulator performance parameters

6 III-V 族材料

III-V 族材料與 SiPh 平臺的集成是一個成熟的研究領域，因為它為激光源與硅光子的集成提供了一條可行的途徑[58-60]。直接鍵合[58]、BCB輔助粘合劑鍵合[59]、III-V/Si 倒裝芯片鍵合[60]是III-V/Si 集成的一些成熟的鍵合機制。III-V 與先進的 SiPh 平臺集成已經(jīng)被演示[61]。盡管 Si 和III-V 族材料之間存在很大的晶格失配，但也有III-V 在 Si 上的外延生長，III-V 族材料在 Si 上的集成也為實現(xiàn)高速調制器提供了一條途徑[62]，因為 III-V 族材料提供了較大的電子誘導折射率變化、高電子遷移率和低載流子等離子體吸收[63]。

2020 年，日本東京大學 Li 的課題組提出了一種具有反偏 III-V/Si 混合金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)光學移相器的高效光學調制器[64]。該調制器是基于 FK 效應和載流子耗盡的 III-V/Si 混合 MOS 光調制器。通過將這兩種效應結合起來，實現(xiàn)了與正偏 III-V/Si混合 MOS 光調制器相同的調制效率，以及較大的調制帶寬和較小的能耗。圖 14 為反偏 III-V/Si混合 MOS 光調制器示意圖，該調制器是將 P 型Si 波導的頂部和一個薄的 N 型 InGaAsP 膜相連。其中，脊波導寬度為 1 μm，厚度為 220 nm，在Si 波導上的 InGaAsP 層厚度為 200 nm。通過實驗仿真分析，反向偏置的 III-V/Si 混合 MOS 光調制器的調制效率為 0.12 V·cm，其電容為正向偏置情況下所需的一半，且所提出的 III-V/Si 混合MOS 光調制器有望達到超過 100 GHz 的帶寬，能耗低于 100 fJ/bit。

圖14 反偏 III-V/Si 混合 MOS 光調制器示意圖Fig. 14 Schematic diagram of reverse bias III-V/Si hybrid MOS optical modulator

7 基于石墨烯材料的調制器

石墨烯是二維碳的同素異形體，在其固有狀態(tài)下可吸收光的帶寬范圍從紫外到遠紅外線。然而，在摻雜石墨烯中，通過狀態(tài)填充和相應的泡利阻塞可以有效地減少吸收，特別是在紅外頻率下。石墨烯即使只有一個原子層，也能吸收2.3% 正常入射的紫外線和可見光[65]。這個普遍的吸收系數(shù)是由于狄拉克費米子獨有的線性和無隙帶色散[66]。盡管這種吸收很小，但利用石墨烯的各向異性的吸收特性以及由此產(chǎn)生熱電子的新型無源光電子技術(包括鎖模激光器、偏振器和光電探測器在內)已經(jīng)得到了驗證[67-70]。

7.1 單層石墨烯結構

2018 年，比利時根特大學 Alessandri 的課題組制作并仿真了速度為 20 Gb/s 的單層石墨烯-硅電吸收調制器[14]。調制器采用石墨烯-氧化物-硅(Graphene-Oxide-Silicon，GOS)結構，該結構位于嵌入在 SiO2中的平面化摻雜 Si 波導之上。該調制器在 1 520～1 590 nm 波長范圍內和零偏壓下，具有 4.4 dB 消光比和 16.0 GHz 的 3 dB 帶寬。單層石墨烯電吸收調制器示意圖與等效電路模型如圖 15 所示，該設備運行速度為 20 Gb/s，當施加2.5 V 電壓時，測得的動態(tài)消光比為 1.8 dB。

圖15 單層石墨烯電吸收調制器的示意圖與等效電路模型Fig. 15 Equivalent electrical model of the monolayer graphene electro absorption modulator

由于環(huán)境和聚合物污染，未鈍化的石墨烯[71]通常具有高濃度的 P 摻雜。當石墨烯和 Si 接觸，并在 GOS 電容上施加電場時，石墨烯中性點會向負偏壓方向偏移，從而導致低正偏置下具有低電阻。從電光角度來看，石墨烯上的 P 摻雜也具有優(yōu)勢。在 P 摻雜的石墨烯中，光透射的最小值向負偏壓方向偏移。因此，在大約 0 V 到較低的正偏置(2 V)范圍內，會發(fā)生 on 和 off 狀態(tài)之間的切換，而不是高的正向偏置或反向偏置。為了在低正向偏壓下降低石墨烯電吸收調制器的電容，可以使用 P 摻雜 Si 波導。GOS 電容器在負直流偏置下進行累積工作，并在低正向直流偏置時切換到耗盡狀態(tài)，從而使石墨烯電吸收調制器工作區(qū)域的電容更低。為了優(yōu)化電阻和電容之間的平衡，并使 RC 常數(shù)最大化，通過優(yōu)化 Si 波導和接觸板的摻雜水平，可進一步改進該器件。

7.2 雙層石墨烯結構

圖16 雙層石墨烯光調制器示意圖Fig. 16 Schematic diagram of double layer graphene light modulator

表 5 為近年來基于不同結構的石墨烯光子調制器的性能參數(shù)。由表 5 可知，雙層石墨烯調制器的 3 dB 帶寬明顯高于單層石墨烯調制器，且雙層石墨烯調制器的消光比明顯高于單層石墨烯調制器。由于高的寬帶是石墨烯材料重要的優(yōu)勢之一，所以隨著石墨烯層數(shù)的增加，其 3 dB 帶寬也會隨之變大。對于相同調制結構的單層石墨烯調制器，器件的結構設計不同，器件的性能也有所差別。

表5 調制器性能參數(shù)Table 5 Modulator performance parameters

8 結 論

基于 Si、Ge 的 FK 效應或量子限制斯塔克效應所制成的電吸收調制器，其器件尺寸可以達到微米級別，F(xiàn)K-電吸收調制器提供了 100 Gb/s的調制速率，但這些調制器的消光比和光學帶寬十分有限。LiNbO3、BaTiO3、石墨烯和有機薄膜具有較高的 Pockels 系數(shù)，為線性和無啁啾高性能的 SiPh 調制器鋪平了道路。早期研究結果表明，將 LiNbO3、BaTiO3材料集成在 Si 上可以獲得良好的性能，有機光電材料在 Si 上的集成也達到了 100 Gb/s 的調制速率和較高調制效率。據(jù)報道，在解決器件壽命方面也取得了長足進展，但在有機電光材料的高速調制器商業(yè)化之前，需要進行更多的研究與發(fā)展。將 III-V 族材料與 Si結合，可以充分利用兩者的優(yōu)點來實現(xiàn) MOS 型相位調制器和電吸收調制器。在 MOS 型光調制器中，調制帶寬和能耗存在一種相互制衡的關系。而高調制帶寬需要 MOS 結中具有較小的電容，但是這會限制調制效率，增大驅動電壓，導致能耗過高。由于石墨烯獨特的電子結構和二維特性，在該材料中尚未發(fā)現(xiàn)較強的 EA 效應，這意味著石墨烯有作為電吸收調制器活性介質的潛力。然而，單層石墨烯調制器所面臨的挑戰(zhàn)之一是單層的石墨烯對光的吸收有限?？赏ㄟ^將石墨烯與光波導集成來解決該問題，光波導通過倏逝波與石墨烯之間的耦合大大增加了相互作用的長度。據(jù)相關文獻報道，多層石墨烯的調制器在一些重要性能參數(shù)上要明顯優(yōu)于單層石墨烯的調制器。

本文主要圍繞硅基光子調制器，對近年來國內外一些調制器件的研究成果進行了陳述，對不同材料的光子調制器進行了研究與分析，對采用相同材料的調制器性能差異進行了對比。光子調制器作為光纖通信系統(tǒng)的核心器件，實現(xiàn)其高調制速率、低驅動電壓以及低插入損耗，仍是目前需要解決的問題。近年來，國內外進行了大量的基于 SOI 材料、Ge 材料、SiGe 材料、鐵電材料、有機光電材料、III-V 族材料以及新型二維材料石墨烯調制器的研究，可實現(xiàn)器件的高速調制以及獲得更低的插入損耗，為未來繼續(xù)發(fā)展高速率、低損耗的光子調制器提供了思路，也為其他光子器件的研發(fā)提供了技術參考。由于硅光子技術的發(fā)展，全球范圍內涌現(xiàn)出了很多高性能的調制器，而采用傳統(tǒng)硅材料的調制器已經(jīng)不能滿足日益快速發(fā)展的光通信技術以及光互連技術，基于其他材料及結構的調制器必將不斷出現(xiàn)，同時，現(xiàn)有器件與制造工藝的兼容性也將不斷提高。