采用铁电材料的光子集成电路 (PIC) 因其独特的光学特性（例如较大的电光系数）而有望在众多应用中得到广泛应用。本研究设计并制作了一种基于铁电薄膜平台的新型 PIC，成功集成了高速光调制器、光斑尺寸转换器 (SSC) 和可变光衰减器 (VOA)。采用改进的溶胶-凝胶法外延生长了铁电镧改性锆钛酸铅 (PLZT) 薄膜，该薄膜表现出较大的电光系数 (>120pm/V) 和较低的传播损耗 (1.1dB/cm)。该马赫-曾德尔型光调制器

半波电压 (Vπ) 为 6.0V（VπL=4.5 Vcm），光调制速率高达 56Gb/s。此外，VOA（衰减范围超过 26dB）已成功与调制器集成。

因此，我们认为，所开发的铁电平台可以为光子集成铺平道路。

#划重点

#PZTOI晶圆 #PZT电光调制器光刻显影刻蚀流片

#6寸DUVKRF150nm流片

数据流量的增加需要高速、节能的光互连，而对光收发器的需求也日益增长。预计光互连设备将大量部署在数据中心。目前，此类设备主要采用机架堆叠式解决方案进行测试，而测试已成为一个重大的制造瓶颈。因此，正如自动测试设备 (ATE) 在 CMOS 半导体工业中的应用一样，ATE 对于降低光器件测试成本也至关重要。我们已经提出并论证了一种高容量光测试系统 1–3 的概念，该系统由高速电子和光学元件组成，例如光源、光调制器、光接收器和可变光衰减器 (VOA)，并提供各种电气和光学测试功能。为了使用 ATE 实现高容量光测试，将这些庞大的光学元件集成到测试系统中至关重要。此外，为了满足系统要求，集成平台应具有高光功率下的鲁棒性。目前，基于铌酸锂（以下简称 LiNbO3 或 LN）的光调制器广泛应用于光通信和测量系统。然而，LN 的电光 (EO) 系数仅为 30pm/V。因此，LN 调制器通常采用通过钛扩散制备的弱导波导，最终尺寸只有几厘米长。此外，在输入高功率光信号时，光折变效应有时会降低其光学性能。

近年来，电光聚合物因其较大的电光系数和对施加电场的超快响应而备受关注。电光聚合物调制器的调制带宽在低驱动电压下超过 100 GHz，因此具有无需高功率电射频放大器等优点。

尽管电光聚合物调制器性能优异，但其聚合物波导的光损耗不足以使其与其他元件集成。此外，就高光功率和长期运行而言，电光发色团的可靠性可能是一个问题。

与此同时，在过去的几十年里，硅光子器件备受关注8-10，因为它们可以采用与CMOS兼容的工艺在绝缘体上硅（SOI）衬底上制造。

因此，人们预计不仅光子器件，而且电学器件也能集成在单个芯片上。然而，基于载流子等离子体效应的硅调制器的理论带宽限制为40GHz11，超过该限制时，其光信号线性度会恶化12。为了克服这一带宽限制，硅有机杂化（SOH）调制器被展示13,14，它利用具有普克尔斯效应的电光聚合物在硅平台上。虽然SOH调制器因其较大的电光系数而有望实现高速光调制和光子集成，但其制造工艺需要进一步改进，以减少高度受限的狭缝波导的光传播损耗。

铁电材料因其较大的电光系数15,16和稳定性，也是光子集成的候选材料之一。采用铁电材料的马赫-曾德尔(MZ)光调制器早已被研究17,18，而最近也有人研究了基于硅或超低损耗氮化硅(SiN)平台的铁电调制器。例如，硅基等离子体BaTiO3调制器19和SiN20基PZT环形调制器展示了铁电材料在调制器和光子集成方面的潜力。虽然PLZT块体陶瓷具有较大的电光系数(>700pm/V)，但之前报道的PLZT薄膜的电光系数较小。在我们之前的研究中，我们揭示了相同成分比例下，采用传统溶胶-凝胶工艺合成的块体陶瓷和薄膜的晶相差异。为了合成具有高结晶度和高电光特性的外延生长PLZT薄膜，我们开发了“改进的溶胶-凝胶工艺”21。通过该工艺，我们成功地控制了PLZT的晶相，从而提高了薄膜的电光系数。利用这些铁电氧化物薄膜，我们开发了一种光子集成电路（PIC）22,23，其中集成了损耗为1.1dB/cm的波导、VOA和工作速率高达50Gb/s的高速光调制器。在本研究中，我们描述了如何提高PIC芯片的带宽、半波长电压和光耦合损耗等器件性能。最终，我们成功地将新开发的光斑尺寸转换器（SSC）、优化设计的PLZT调制器和VOA集成在PLZT平台上。

此外，为了在单个封装中为ATE提供各种光学测试功能，我们实现了一个光发射机模块，该模块由激光二极管 (LD)、光电探测器 (PD) 和与PIC芯片连接的光纤组成。

结果

图 1. (a) 测试系统和 (b) PLZT 光子集成电路的示意图。

采用蓝宝石衬底PLZT设计的PIC。图1(a) 示意性地显示了用于大批量测试的光学测试系统配置。该系统由光信号发射器、接收器和用于测试高速光接口（例如光收发器）的高速电子设备组成。如图所示，系统中嵌入了各种光学元件，例如光源、VOA、光开关和光接收器。在这里，来自光调制器的输出光测试信号必须分成四个或更多通道，才能进行同时测试。因此，我们不能在光学测试系统中使用 LN 调制器，因为它具有光折变效应，这有时会在高功率工作条件下降低 LN 调制器的光学性能。因此，如图 1（b）所示，PLZT PIC 被设计为系统的光发射器。高速调制器、VOA 和 SSC 单片集成在沉积在蓝宝石衬底上的 PLZT 薄膜上。此外，采用专有的光学组装技术将监控 PD、LD 和光纤直接耦合到 PIC，从而实现了低光损耗的发射器模块。LD 产生的输入光被馈入 PLZT PIC，并由光调制器转换为不归零（NRZ）高速光信号。对于光收发器的灵敏度测试，可以通过 VOA 改变光功率，并通过监测 PD 监测每个信号的功率水平。

光波导、SSC 和 3-dB 耦合器的设计。为了设计 PLZT 波导和 SSC 的结构，采用了有限时域差分 (FDTD) 方法。设计了一个脊型单模波导，用于波长为 1310nm 的横向电 (TE) 模式。

图2. 使用FDTD设计光波导和SSC：(a) PLZT波导的光场分布；(b) 与PLZT波导连接的SSC仿真模型及其脊高(h)从0.1到0.4μm的SSC的光场分布(c-f)。(g) 各h处SSC的MFD和耦合损耗。每次计算输入TE模高斯光束，计算窗口为x=-2μm到2μm，y=-0.8μm到1.2μm，网格大小均为0.05μm。PLZT、SiO2和蓝宝石的折射率分别为2.42、1.44和1.76

图 2(a) 显示了将 FDTD 应用于宽度和高度分别为 2.0 μm 和 0.3 μm 的 PLZT 波导的结果。根据 FDTD 结果，确认了该结构中的单模传播，波导的水平和垂直模场直径 (MFD) 分别为 1.78 μm 和 0.48 μm。这里，MFD定义为光功率降至最大功率的1/e²的点。为了补偿波导和透镜光纤（~2.3μm）的MFD之间的不匹配，设计了如图2（b）所示的SSC。SSC由一个垂直向上的锥形斜面（角度为θ）和一个高度为h的脊组成。首先，模拟了SSC传播损耗随θ的变化。随着θ的增加，由于锥形波导的光泄漏，SSC的传播损耗增加，当θ小于9度时，损耗可以忽略不计。如图2（c-f）所示，脊高（h）经过优化，以最小化光耦合损耗。虽然垂直 MFD（MFDy）随着 h 的增加几乎保持不变，但水平 MFD（MFDx）会减小，因为 SSC 中的传播光几乎被限制在波导中。如图 2(g) 所示，计算了 SSC 的 MFD 和耦合损耗根据以下方程，该方程由 SSC 和透镜光纤的场重叠给出，如下所示

其中φ1和φ2分别表示SSC和透镜光纤的MFD的光强分布。此处，透镜光纤的MFD为2.3μm。由于MFDxs重合，SSC和透镜光纤之间的光耦合损耗在h=0.3μm处达到最小值。与不带SSC的波导的光耦合损耗（3.41dB）相比，带SSC的波导的光耦合损耗降低至1.47dB，两个面上的损耗均降低了3.88dB。如果增加PLZT薄膜的厚度，使SSC的MFDy与光纤的MFDy匹配，则可以进一步降低损耗。

采用多模干涉（MMI）耦合器24对信号光进行分束和耦合。MMI耦合器的设计采用光束传播法（BPM）。根据BPM计算，确定宽度和长度的最佳值为7.5μm和240μm，额外损耗小于0.2dB（见补充材料中的图S5）。

PLZT调制器的设计。设计了一种高速马赫-曾德尔干涉仪型PLZT薄膜调制器，利用普克尔斯效应。在设计PLZT调制器时，光调制带宽受到PLZT薄膜的大介电常数（εr）（εr=700）以及光波和微波速度失配的限制。

图3. (a) PLZT调制器的横截面图。(b) PLZT调制器的带宽限制是由于光波与微波速度失配引起的，可通过调整SiO2厚度进行调节。(c) PLZT调制器的电场分布。将1GHz至40GHz的电信号输入信号电极，x和y方向的网格尺寸均为0.02μm。(d) PLZT调制器(S21)的光学响应模拟图。

为了降低有效介电常数，将PLZT夹在低εr电介质之间，如图3（a）所示。采用蓝宝石（εr=10）衬底和SiO2（εr=4）缓冲层作为低εr介质，PLZT波导的有效介电常数降低至7.7（根据计算）。为了实现光波和微波的速度匹配以实现高速运行，对SiO2缓冲层的厚度进行了优化。速度失配引起的-3dB带宽（BWm）表示为25

其中L为电极长度，no和nm分别表示光波和微波的有效折射率。根据公式（2），通过改变SiO2的厚度，可以控制速度失配引起的带宽限制（nm）。BWm对SiO2厚度的依赖关系如图3（b）所示，表明最佳厚度为1.3μm。此外，设计了一个50Ω共面波导（CPW），其宽度和间隙分别为4μm和8μm。由于CPW的导体损耗和趋肤效应，-3dB光学带宽（BWloss）由下式给出

其中α0是电极衰减常数。调制器的-3 dB光带宽粗略地通过公式(2)和公式(3)给出的带宽之和来估算。调制器的Vπ由下式给出

其中，r为PLZT薄膜的电光系数，λ为光的波长，d为电极间距，n为PLZT薄膜的光折射率，x和y分别为波导横截面平面内的坐标轴。Γ表示微波电场(E)与光场(e)平方的归一化重叠。用有限元法(FEM)计算的PLZT调制器的场分布如图3(c)所示。利用FDTD(图2(a))和FEM的结果，根据公式(4)计算Γ，可得VπL=3.9Vcm。根据公式(2-4)，CPW的长度决定了调制器Vπ和光带宽之间的权衡。

因此，可以粗略计算出光带宽和 Vπ，以符合系统规格（即调制器带宽 >24GHz）。由于 L 确定为 7.5 mm（Vπ=5.2 V），因此该结构的光频响应可以计算为速度失配和 CPW 引起的传输损耗之和，如图 3（d）所示。CPW 引起的光损耗是根据 FEM 模拟的电频响应结果计算得出的。调制器的 -3 dB 光带宽和 CPW 的电 -6 dB 带宽分别计算为 30GHz 和 35.9GHz。从图 3（d）中可以看出，由于采用了速度匹配设计，速度失配引起的传输损耗相对较小，光频响应取决于 CPW 的电传输损耗。

PIC的制备。采用改进的溶胶-凝胶法21,22合成了外延生长的PLZT薄膜。该合成方法的主要特点是薄膜在合适的氧气压力下结晶，而传统的结晶过程通常是在大气压下通入氧气。该工艺使我们能够控制PLZT薄膜的晶相以提高电光系数，并且能够在没有烧绿石、铅或氧缺陷的情况下合成具有菱面体相的外延生长PLZT(8/65/35)薄膜。用原子力显微镜(AFM)测得薄膜的均方根(RMS)表面粗糙度为0.23nm。电光系数估算为120 pm/V，几乎是LiNbO3晶体的四倍。

图 4. 制备的 PLZT PIC。(a) 制备的 PLZT PIC 芯片的显微照片（顶视图）。(b) SSC 的 AFM 图像，其中上锥斜面的角度为 2.3°。(c) PLZT 调制器部分的横截面图像。

图4（a）为PLZT PIC芯片的显微照片。采用干法刻蚀形成脊形波导和SSC结构。SSC的上锥形斜面采用步进曝光光刻和干法刻蚀技术成形。图4（b）为SSC的AFM图像。SSC的倾角小于9°（θ=2.3°），PLZT的厚度按设计减少了近0.6 μm。斜面的平均粗糙度（RA）为4.2nm，对于光的波长（1310nm）来说足够光滑。图 4(c) 为所制备光调制器的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。PLZT 波导夹在蓝宝石和 1.3 μm 厚的 SiO2 薄膜之间。形成下电极用于 PLZT 薄膜的极化，并通过镀金工艺制作上电极 (CPW)。下电极和上电极的厚度分别为 0.3 μm 和 12 μm。此处，单模波导相对于 PLZT 的 <001> 晶向以 45° 角排列，以获得图 3(a) 所示共面电极结构下 TE 模的最大电光系数，因为 PLZT 的自发极化方向与入射光方向一致。

为了实现PIC的无偏压工作，引入了铁电极化压印技术27,28。该技术通过极化过程实现，降低了铁电体的矫顽电场。图5(a)分别显示了施加和不施加极化的情况下Vπ随偏压的变化关系。在信号电极左右两侧的GND电极上施加偏置电压（见图3（a）），其中极化方向定义为正。在未极化的情况下，当偏置电压为0V时，Vπ约为30V。因此，需要向PLZT薄膜施加偏置电压以实现低Vπ工作。另一方面，极化后，Vπ-偏置电压曲线似乎向负方向移动。当偏置电压在-60至-40V左右时，Vπ较高，并且随着偏置电压在正向或负向增加而降低。即使偏置电压为0V，Vπ也会急剧减小至6.0V。为了检查PLZT薄膜的压印行为，确认了有和无极化情况下的P-E磁滞回线和介电常数蝴蝶曲线。P-E磁滞图5（b）显示了光调制器的磁滞回线。未极化样品表现出典型的铁电体对称磁滞曲线，而极化样品则表现出非对称曲线。极化强度P=0时，正（EC+）和负（EC-）矫顽电场在未极化时分别为15.1和-13.7 kV/cm，在极化时分别为4.1和-37.3 kV/cm。

图5. (a) Vπ的偏置电压依赖性。(b) PLZT在有无极化过程中形成的P-E磁滞回线。(c) 调制器在有无极化过程中的相对介电常数与施加电场的关系（蝶形曲线）

如图5（c）所示，磁滞回线和蝶形曲线的偏移也可以通过相对介电常数和施加电场的关系（介电常数蝶形曲线）来观察。磁滞回线和蝶形曲线的偏移可以用在铁电体和电极界面上形成的铁电极化钉扎层来解释27,28。由于钉扎层通过极化作用降低了PLZT薄膜的EC+，因此PLZT光调制器可实现无偏压工作。

VOA的设计与评估。设计了马赫-曾德尔干涉仪型VOA，其工作原理同样基于PLZT薄膜的普克尔斯效应。为了实现高速响应和小尺寸器件，在PLZT薄膜上直接沉积了间隙为8μm的信号电极和接地电极，这使得施加到PLZT波导的电场强度比前述调制器高7.5倍。考虑到VOA的衰减控制及其分辨率，确定相互作用长度为2 mm。

由此，制备的VOA的Vπ和衰减范围分别为2.4V（VπL=0.58 Vcm）和26dB，其稳定时间经测量为40纳秒。通过操作PIC中的VOA和调制器，我们确认高速信号的功率电平可任意控制，从而实现了高达56Gb/s的光接收器灵敏度测试。制备的PIC的评估。光输入测量PLZT PIC的耦合损耗（IL）为8.0dB（包括光纤引起的光耦合损耗），而未采用SSC的PIC的耦合损耗为11dB。结果表明，PLZT波导集成的SSC可将光耦合损耗降低3dB。仿真结果（图2(g)）与实验结果的IL之间的差异被认为是由PLZT波导上锥形斜面或侧壁的表面粗糙度造成的。

图6. (a) PLZT调制器的电频率响应(S21)和光眼图，工作速率分别为(b) 25Gb/s和(c) 56Gb/s。(d) 64Gb/s 4级脉冲幅度调制(PAM-4)。外消光比为6dB。

CPW的频率响应（S21）如图6(a)所示，表明-6dB带宽为31.9GHz。

从图中以及前面描述的FEM计算可以看出，-3dB光带宽估计为28.4GHz。此外，还使用脉冲模式发生器检查了 PLZT PIC 的高速运行。图 6(b,c) 分别显示了 PLZT 调制器在 25 和 56 Gb/s 下工作的光眼图。从两图中可以看出，在高达 56 Gb/s 的速率下都可以观察到清晰的眼图张开，其中 56 Gb/s 运行时测得的上升和下降时间分别为 11.3 和 10.0 皮秒。这些眼图的消光比 (ER) 分别为 6.3 dB 和 4.5 dB。图 6(d) 表示 64 Gb/s（32 Gbaud）下的光四级脉冲幅度调制 (PAM-4)。观察到打开的 PAM-4 眼图，其消光比测得为 6dB。

讨论

本文利用外延生长的PLZT薄膜成功开发了一种新型光子集成电路。

设计并制作了高速光调制器、SSC和VOA。利用极化技术控制PLZT的偏振，在不施加偏置电压的情况下大幅降低了Vπ。最终，光调制器（工作速率高达56Gb/s）和VOA（衰减比超过26dB，响应时间在40纳秒内）集成在单个芯片上。PLZT PIC可在小型封装中为ATE提供光发射器，并缩短测试时间。PLZT平台还具有其独特的材料特性，即热稳定性和对高光功率的稳定性。与其他电光材料（例如电光聚合物）相比，PLZT 的优势之一在于其较高的电光系数（120 pm/V）和较低的传输损耗（1.1 dB/cm）。因此，本研究开发的 PIC 平台有望应用于 ATE 等高光功率系统。

方法

采用改进的溶胶-凝胶法合成外延生长的 PLZT 薄膜。合成过程中，采用市售前体溶液（三菱材料公司），其前体质量分数为 15 wt%，La:Ti:Zr 的比例为 8:65:35，并含有 20 wt% 的过量铅。将 PLZT 溶液旋涂在 r 形切割蓝宝石衬底上，并在空气中 300 °C 下热解 3 分钟。晶片在约 625 °C 的氧气环境中通过快速热退火 (RTA) 进行 3 分钟退火。PLZT 薄膜的合成在之前的论文 21 中进行了详细描述。

PLZT PIC 采用 g 线步进式光刻机通过光刻技术制作。为了制作 SSC 的形状，我们采用了步进曝光光刻技术。制作流程如下：首先，将光刻胶层反复暴露在弱光下，同时以几微米的步长移动光掩模。由于光刻胶层的曝光时间是逐渐变化的，因此在显影工艺后可以形成阶梯状形状。

然后，在烘烤工艺后可以形成光滑的上锥形斜面光刻胶层。上锥形斜面的角度可以通过控制光掩模移动步长的距离来控制。光刻胶图案通过干法刻蚀（即采用 C4F8 和氩气基化学方法的电子回旋共振刻蚀 (ECR)）进行转移。

铬/金/铬下电极采用氩气射频溅射沉积，并采用升压工艺形成，其中铬用作 PLZT 和 SiO2 的粘附层。CPW 上电极采用镀金和铣削工艺形成。SiO2 采用室温氩气和氧气射频等离子溅射沉积。为了降低偏置电压，通过下电极在居里温度（>110 °C）以上施加矫顽电场，对 PLZT 薄膜进行极化。

为了测量眼图，使用脉冲码型发生器（N4975A，Keysight）产生215-1个不归零电信号，并使用驱动放大器（OA4MVM3，Centellax）驱动PLZT调制器。此外，使用任意波形发生器（M8194，Keysight Technologies）和驱动放大器（内部开发的氮化镓放大器）产生PAM-4电信号。使用具有45 GHz光带宽的光采样示波器（86116C，Keysight Technologies）测量光信号。

作者；ShunsukeAbe, Tomoki Joichi, Kouichiro Uekusa, Hideo Hara & Shin Masuda

单位；Advantest Laboratories, Ltd., 48-1 Matsubara, Kamiayashi, Aobaku, Sendai, Miyagi, 989-3124, Japan*