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摘要：我们展示了薄膜钽酸锂 (TFLT) 中的电信波长普克尔斯电光调制器，与等效薄膜铌酸锂 (TFLN) 调制器相比，它具有出色的直流稳定性。测量结果表明，正交偏置 TFLT 的输出功率波动小于 1 dB，而 TFLN 在 46 小时内的功率波动为 5 dB，输入功率为 12.1 dBm。我们的 TFLT 调制器保持了与 TFLN 类似的特性：3.4 Vcm 半波电压长度积、39 dB 消光比、3-50 GHz 的良好 RF 电光响应以及 0.35 dB 的片上损耗。我们还展示了 TFLT 调制器在 0-70°C 范围内的低误码率数据调制，光损耗为 9 dB/m。

本文作者团队：

KEITH POWELL, XUDONG LI, DANIEL ASSUMPCAO,LETÍCIA MAGALHÃES, NEIL SINCLAIR, AND MARKO LONCAR ˇ*

John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge,Massachusetts 02138, USA

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1. 简介

过去几年中，薄膜铌酸锂 (TFLN) 集成电光 (EO) 电路推动了光学科学和技术的诸多进步 [1]。最具开创性的 EO 设备——马赫曾德尔调制器 (MZM)——使光通信、传感和计算领域的众多技术受益匪浅。电信波长的 TFLN MZM 显示出较低的半波电压长度积 (VπL)，例如 2.3 Vcm，EO 带宽超过 100 GHz [1]。最近测量到 TFLN 的光损耗低至 1.3 dB/m [2]。TFLN 调制器的一个未解决的问题是 EO 响应缓慢 (<kHz) 松弛。因此，采用调制器的主动 EO 控制，或者采用基于热光的控制和偏置来维持偏置点 [3,4]。然而，前者引入了与低频 EO 响应稳定性相关的额外复杂性，而后者导致稳态功耗增加、热串扰，并且与低温操作不兼容。此外，在光功率升高时，TFLN 中的光折变效应会引入额外的松弛动力学和不稳定性，这可能会在薄膜中加剧，因此许多演示在芯片输出端使用低输入功率和/或功耗放大器来补偿这种影响 [1]。众所周知，钽酸锂 (LT) 的电光弛豫速度比 LN 慢且幅度更小，但其性能却相当甚至更好 [5–8]：电光系数 (r33∼30 pm/V) [9]，带隙 3.93 eV [10]，633 nm 处的双折射比 LN 低 23 倍 [11]，可见光波长处的光折射比 LN 低 5 倍 [12,13]，绿光的光损伤阈值比 LN 高 2500 倍 [5,14]，射频损耗角正切比 LN 低 10 倍 [11,15]。然而，使用体 LT 波导的光调制器尚未像 LN 那样得到广泛应用 [16]，而 LT 和 TFLT 已在声学滤波器中得到广泛应用 [17]。这部分是由于 LT 的居里温度较低，这限制了通过掺杂或离子交换在 LT 中创建低损耗光波导，同时还存在不稳定性问题 [16]。最近，TFLT 上出现了第一批光学设备：微盘 [5]、条带加载波导 [6]，以及干蚀刻微环 [7] 和 MZM [8]。尽管如此，目前仍不清楚块状 LT 的理想特性在多大程度上映射到薄膜 LT 电光调制器，而不会牺牲其他指标，例如驱动电压、光损耗等。

我们设计、制造并演示了在 1550 nm 下工作的 TFLT EO MZM，与等效 TFLN MZM 相比，它在幅度和时间尺度上都具有出色的直流稳定性。具体而言，我们测量了正交偏置 TFLT 的输出功率波动小于 1 dB，而 TFLN 在 46 小时内的输入功率为 12.1 dBm 时的输出功率波动为 5 dB。重要的是，与 TFLT MZM 相比，我们的 TFLT MZM 不会牺牲重要的设备性能系数，包括光损耗（0.35 dB）、射频带宽（3-50 GHz 范围内平坦）、消光比（39 dB）和驱动电压（3.4 Vcm 半波电压）。得益于直流稳定性，我们设计了一种路径长度平衡调制器，它对温度波动不敏感。这通过在 0°C 至 70°C 的温度范围内测量的低于软分割前向纠错阈值的误码率来证明。我们还使用 28 dBm 的高光功率测量了 30 GBaud 非归零伪随机位序列调制的开眼图。此外，为了验证我们的蚀刻工艺的质量，我们制造了 TFLT 赛道谐振器并测量了 9 dB/m 的低单模光损耗，并测量了 TFLT 的热光系数 (dn/dT = 3 × 10−6K−1)。在晶体中，从而减少光学损耗和光折变效应。MZM 保持未包覆状态，以测量不受氧化物杂质影响的直流电光漂移，从而公平地将 TFLT 晶体特性与 TFLN 进行比较。对于高频电光测量和光学谐振器测量，随后通过等离子体增强化学气相沉积沉积 800 nm 厚的 SiO2 包层（图 1(b)(iii)）。这减少了由于 TFLT 和空气之间的高折射率对比度导致的侧壁散射对损耗表征的影响，并实现了最佳 RF 相位和光学群速度匹配。使用 SPR700-1.0 抗蚀剂在 375 nm 处通过光刻对电极进行图案化（图 1(b)(iv)）。接下来，对于包覆的器件，使用 C3F8 和 Ar+ 气体对沟槽进行干蚀刻（图 1(b)(v)）。金属采用电子束蒸发沉积（图 1(b)(vi)）。剥离定义了 MZM 电极（图 1(b)(vii)），该电极由 15 nm 厚的 Ti 粘附层和 800 nm 厚的 Au 组成。MZM 的终端电阻（20 nm 厚的 Ti、5 nm 厚的 Pt）通过另一轮光刻、蚀刻、电子束沉积和剥离定义。未包覆的 MZM 的电极也同样通过光刻、电子束沉积和剥离定义。最后一步，所有设备都在 300°C 的加热板上加热 5 小时，以去除由电子束金属沉积引起的捕获电荷，这些电荷会对直流漂移效应产生负面影响 [18]。为了明确比较 TFLT MZM 和 TFLN MZM 的直流漂移，我们使用相同的工艺、相同的波导和电极几何形状制造了一个 TFLN MZM。

图 1. 集成薄膜钽酸锂绝缘体电光器件。(a) 平衡 Mach-Zehnder 调制器的显微照片，带有独立的 DC 和 50 Ohm 端接的 RF 电极。(b) 器件制造工艺。(i) x 切割薄膜钽酸锂涂有 ma-N 2405 抗蚀剂，并使用 150 kV 电子束光刻 (EBL) 进行曝光，(ii) Ar+ 蚀刻定义波导，(iii) 等离子增强化学气相沉积 (PECVD) SiO2 包层，(iv) 使用 375 nm 光刻和 SPR700-1.0 抗蚀剂定义电极掩模，(v) 使用电感耦合等离子蚀刻选择性去除 SiO2 包层，(vi) 通过电子束蒸发进行 Ti/Au 电极的金属沉积，(vii) 使用剥离来定义电极。(c) 马赫-曾德尔调制器横截面示意图，标明了晶轴、相关尺寸和材料。(d) 蚀刻钽酸锂波导横截面的扫描电子显微照片 (SEM)。观察到侧壁角度为 61°。(e) 制造的光栅耦合器和波导的 SEM 显示侧壁光滑。

3. 调制器模拟

图 2(a) 显示了在 500 nm TFLT-on-2 µm 氧化物堆栈中制造的波导所支持的光模式，其有效折射率为 1.9，群折射率为 2.25。接下来，我们使用电极进行微波模拟，以检查我们使用的 300 nm 蚀刻深度的光场和微波电场之间的重叠。如图 2(b) 所示，由于在这些频率下钽酸锂 (∼43) 和 SiO2 (∼4) 之间的高介电常数对比，大部分微波场位于周围的氧化物和平板中。通过在波导区域中使用相同的网格进行光学和 RF 模拟，我们获得了整个横截面的精确场重叠，并通过计算 RF 引起的光学模式指数变化来估计 DC VπL。通过此过程，以及考虑金属引起的光学损耗和制造对准精度，电极之间的间隙选择为 5 µm，模拟的 DC VπL 为 3.1 Vcm。为了实现调制器的高带宽性能，我们首先解决高频下光学群速度与微波相速度所需的匹配问题 [1]。考虑到我们的堆栈，通过选择信号电极的正确宽度（图 2(c)）来实现匹配，该宽度为 50 µm。接下来，我们解决调制器的阻抗匹配问题，调制器本质上是接地-信号-接地配置中的共面传输线，与 50Ω RF 负载端口匹配。不幸的是，我们发现，在电流堆栈和限制调谐参数的情况下，在保持速度匹配的同时，我们可以实现的最佳阻抗是 39Ω（图 2(d)）。这是从我们对第 6 节中所示的调制器的电光响应的测量中推断出来的。我们预计这将导致从数百兆赫到几千兆赫的频率急剧下降，此时电调制速度进入 RF 状态并开始发生反射。可以通过将底部氧化物的厚度从当前的 2 µm 增加到至少 4.7 µm 来缓解此问题。还值得注意的是，分段电极设计 [19] 可以帮助增加阻抗，但它会大大提高 RF 指数（使用我们的堆栈时达到 3 以上）。未来将分段设计与更厚的底部氧化物相结合的工作将克服这个问题并进一步提高带宽。请注意，我们使用了独立的椭圆偏振法测量来确定 TFLT 的折射率，在 1550 nm 处 ne ∼ no ∼ 2.12，以便进行我们的模拟和计算。

图 2. 我们的 TFLT 调制器的模拟。(a) 模拟光电场分布(Comsol)。基本 TE 模式的群速度（如图所示）为 2.25。(b) 模拟 RF电场分布（Comsol）。计算场重叠，估计 DC 处的 VπL 为3.1 Vcm。线条用于定义材料边界和引导眼睛。(c) 模拟 RF 有效指数“neff”(Lumerical HFSS)。根据设计，它与高频下光的群指数“optical ng”相匹配。(d) 模拟（Lumerical HFSS）、理想（50 Ω）和测量（从电光测量推断，39 Ω）RF 阻抗。

4. 调制器芯片细节

我们使用路径长度平衡的 MZM 来减轻温度和激光波长波动。

我们的设计基于定向耦合器而不是 Y 型分路器，因此有两个输入端口和两个输出端口。独立的 7.5 毫米长的接地信号接地 DC 和 50 Ω 端接 RF 电极避免了外部偏置 T 型接头，从而在 DC 和 RF 信号之间提供出色的隔离，同时实现低 RF 插入损耗、平坦的 RF 响应，并避免在高 DC 偏置下损坏终端器。MZM 横截面（图 1(c) 示意图）针对低光损耗进行了优化，具有强光和 RF 场重叠。蚀刻波导的扫描电子显微镜横截面（图 1(d)）用于确定蚀刻侧壁角度为 61°，该角度受蚀刻偏置功率和再沉积速率的限制。侧壁角度用于设计和模拟光栅耦合器。我们测量了每个光栅耦合器在光纤和芯片之间耦合光的损耗为 7.9 dB。由于制造缺陷，这与模拟的 ∼3 dB 效率不同。图 1(e) 显示了蚀刻光栅耦合器和波导的扫描电子显微镜图像，表明成功去除了再沉积，并且侧壁粗糙度较低。

5. 直流电光测量

我们在近直流下测量了 3.4 Vcm 的低 VπL（图 3(a)），这接近模拟预测的值。通过监测每个 MZM 端口的输出功率并缓慢改变输入电压来测量 VπL，这与我们的模拟结果相符，主要受我们当前设备几何形状的限制，包括间隙宽度、蚀刻深度等。未来使用优化的堆栈和设计将实现更低的 VπL。值得注意的是，在其中一个端口处测量到 39 dB 的异常高消光比。由于定向耦合器不对称（53:47 比率）以及蚀刻引起的误差，第二个端口的消光比较低，为 16dB，并且使用显微镜观察到，由于电极错位引起的两个臂之间的损耗差异（0.7 dB）。定向耦合器比率和电极引起的上述影响使用模拟估算损耗。MZM 波导中的散射占 0.13 dB 损耗，金属损耗合计导致片上总损耗为 0.35 dB。接下来，将 TFLT MZM 偏置为正交，并使用 20 dBm 片外（12.1 dBm 片上）输入光功率测量 46 小时内的 EO 弛豫（图 3（b））。我们发现在前两个小时内激光强度变化小于 1 dB，可能是由于电接触处的电荷迁移，在最后 44 小时内稳定在 0.2 dB 漂移。另一方面，在相同条件下测量时，即输入功率和测量持续时间，TFLN MZM 表现出 5 dB 的激光强度变化。此外，文献中报道的 TFLN 的 EO 弛豫从 ∼15 分钟内的 3 dB [4] 到 ∼30 分钟内的 8 dB [3] 不等。还请注意，两篇论文中均未说明光功率。

请注意，房间的温度波动（小于 2°C）和机械干扰（包括光纤到芯片的耦合漂移）均受到严格监控，以确保它们不会对我们的直流漂移测量产生影响。

图 3. 直流电光特性测量。（a）在调制器的每个输出端口测量的传递函数，作为缓慢变化的偏置电压的函数。在输出端口 OUT 处测量到 38.8 dB 的高消光比。由于制造缺陷，在补充端口 OUT 处测量到 15.9 dB 的较低消光比。（b）当偏置最初设置为正交时，光输出强度相对于正交的动态。TFLT

（TFLN）MZM 在 46 小时内表现出 <1dB（5 dB）的功率漂移。左图显示了前 30 分钟。曲线 (*) 显示了文献 [3] 中 TFLN MZM 的漂移。6. RF 电光测量

我们通过使用矢量网络分析仪以正交方式驱动调制器并使用插入网络分析仪第二个端口的高带宽光电二极管测量输出光功率的变化来测量 MZM 的 RF 电光响应。

在我们的调制器设计中匹配光学组和 RF 相速度（图 2(c)）可产生归一化的电光转换效率（EO S21 图 4(a)），在 3 GHz 之后平坦地下降至 50 GHz。我们的频谱分析仪将带宽限制在 50 GHz。3 GHz 之前的下降是由于传输线电极的低特性阻抗（39 Ω）。如第 3 节所述，可以使用具有更厚底部氧化物的优化设备几何形状直接克服这一问题。我们还使用参考文献中讨论的相同方法推断 RF EO 响应。[1]，参数来自模拟（光学和 RF指标）和电气测量（RF 损耗和阻抗）。结果如图 4(a) 虚线所示，与实验结果吻合良好。电极背反射也由网络分析仪监测（RF S11 图 4(a)）。RF 背反射主要是由于上述 RF 阻抗不匹配，以及寄生谐振。

为了展示我们稳定的 DC 偏置与路径长度平衡设计相结合对数据调制的好处，我们在正交处偏置 MZM，并使用 5 GBaud 的非归零 (NRZ) 伪随机二进制序列 (PRBS) 在 70°C 温度范围内驱动它。

通过使用夹子将芯片安装到热控制和监控的铜台上来控制温度。眼图由 20,000 次拍摄汇编而成，并使用 5.1 dBm 片上输入光功率进行测量（4(b)，底部）。所有测量的误码率 (BER) 均低于软分割前向纠错 (SD-FEC) 所需的误码率，对应于 ∼3 的信噪比（图 4(b)，顶部）。在 10°C 以上，我们测量到随着温度升高而降低的误码率。这是由于热膨胀引起的光纤与光栅耦合器的对准改善。由于冷凝引起的错位，在 0°C 时观察到误差增加。我们预计适当的封装将减少光栅与光纤因温度引起的错位。最后，在室温下，我们将片上光功率增加到 28 dBm 并演示数据调制（图 4(a)，插图）。图 4(a) 的插图中还显示了用于执行测量的设置。我们以高达 30 GBaud 的调制速率和 3.3 的信噪比保持睁眼，这受到示波器带宽的限制。光放大器的不稳定性阻碍了在此功率下准确测试长期直流稳定性。

7. 光学谐振腔测量

对于 TFLT 的可扩展性，确定由我们的蚀刻工艺引起的光损耗是至关重要的。

为了估计这一点，我们分别在最窄和最宽的部分制造了一个宽度约为 200 µm 和 ∼850 µm 的未包覆跑道谐振腔。波导蚀刻 300 nm，耦合器部分的顶部宽度为 1 µm，这对应于单模行为，并且逐渐减小到最大 4 µm 顶部宽度。总线波导的宽度为 1 µm，这确保只有基模耦合进出谐振器。谐振器和总线之间的间隙宽度为 1.4 µm，对应于欠耦合条件。通过改变激光的波长在 1530 nm 左右，我们测量了自由光谱范围为 185 pm 的单模光谱（图 5（a））。通过在低光功率下通过谐振缓慢改变激光波长，我们测量了 Lorentzian 分布，并对其进行拟合以提取 55.1 MHz 的 FWHM 线宽。这对应于 QL = 355 万的负载品质因数（图 5（b））。

根据此值以及谐振 T 的传输，我们计算出固有品质因数 Qi = 2QL/(1 + √ T) = 404 万。这对应于 9 dB/m 的传播损耗，其中包括赛道设计的弯曲损耗。请注意，我们的低损耗谐振器是使用单步 ma-N 基光刻工艺创建的，从而避免了额外的干蚀刻步骤和与硬掩模转移相关的复杂性，例如参考文献 [8] 中使用的步骤。

图 5. 光学谐振器测量。（a）单模 TFLT 跑道谐振器的测量光谱。（b）中所示的谐振由蓝色阴影区域表示。

（b）测量（x）和拟合（红线）洛伦兹形谐振，用于确定线宽、固有品质因数和损耗系数。插图：相应制造的跑道谐振器的光学显微照片。（c）从跑道谐振器的谐振偏移中提取的测量和拟合温度相关响应作为温度的函数。

最后一步，我们测量 TFLT 折射率的温度依赖性。这是通过对芯片进行温度调谐（类似于眼图测量）并监测谐振的失谐来执行的。失谐与温度呈线性关系（图 5(c)）。拟合结果表明热光系数为 dn/dT = 3 × 10−6K−1，仅包括谐振器几何形状和 LT 热膨胀的影响 [20]。这与从块体 LT [20] 估计的 12 × 10−6K−1 不同，这是由于材料堆叠、压电性、薄膜特性（例如自由电荷或由于蚀刻或晶圆切割和键合而导致的晶体结构差异）或这些影响的组合。

8. 结论

我们展示了薄膜钽酸锂马赫曾德调制器，与薄膜铌酸锂中的等效马赫曾德调制器相比，它在时间尺度和幅度上都具有更好的直流稳定性。重要的是，我们不会牺牲关键的品质因数，包括射频带宽、驱动电压和光损耗，并使用 ma-N 光刻胶通过可扩展工艺制造调制器。我们的路径长度平衡调制器设计可减轻温度和激光波长波动的影响，这在部署中具有实际好处。此外，还展示了在不同温度和光功率下低误差数据调制。我们的制造工艺产生 9 dB/m 的低单模损耗。我们预计，通过蚀刻或金属化研究优化表面附近的电荷动力学可以进一步提高薄膜铌酸锂电光器件的性能，超出本文介绍的范围。在准备和审查本文的过程中，另外两篇论文 [21,22] 报告了使用 TFLT 提高直流稳定性。