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技術(shù)前沿

光子材料與光電二極管相結(jié)合,西南交通大學實現(xiàn)高性能光子集成電路

激光制造網(wǎng) 來源:老one整理2023-10-20 我要評論(0 )   

鈮酸鋰薄膜(TFLN)因其強大的電光系數(shù)、較大的光學非線性和較寬的透明窗口,顯示出作為集成光子學平臺的巨大潛力。TFLN可用于開發(fā)各種光電元件,但由于鈮酸鋰 (LN) 本...

鈮酸鋰薄膜(TFLN)因其強大的電光系數(shù)、較大的光學非線性和較寬的透明窗口,顯示出作為集成光子學平臺的巨大潛力。

 

TFLN可用于開發(fā)各種光電元件,但由于鈮酸鋰 (LN) 本身不能提供光源和光電檢測,因此大多數(shù)TFLN器件必須依賴外部激光器和光電檢測器。片上集成的高性能光電探測器對于挖掘 TFLN作為光子集成電路 (PIC)平臺的潛力至關(guān)重要。

 

 

(a) 帶有預(yù)定義波導(dǎo)和無源元件的TFLN晶圓。(b)裸InP/InGaAs晶圓。(c) InP/InGaAs晶圓和 TFLN 晶圓鍵合。(d) InP/InGaAs晶圓襯底去除。(e) N mesa干蝕刻。(f) P mesa干蝕刻。(g) CPW 焊盤的SU-8基底。(h) 金屬電鍍和脫模。

  

《激光制造網(wǎng)》獲悉,最近發(fā)表在《Light: Advanced Manufacturing》上的一篇來自西南交通大學的論文表明,為了滿足這一需求,該院校的研究人員將改進型單向載流子(MUTC)光電二極管晶圓異構(gòu)集成到帶有預(yù)定義波導(dǎo)和無源元件的TFLN晶片上。MUTC光電二極管同時提高了 TFLN平臺的帶寬和響應(yīng)度。

 

 

研究人員通過干蝕刻LN波導(dǎo)和無源器件來啟動制造過程。他們采用混合蝕刻方法來形成器件臺面。在完成金屬電鍍和脫模后,對芯片進行切割和拋光。研究小組對外延層結(jié)構(gòu)、LN波導(dǎo)幾何形狀和共面波導(dǎo)墊幾何形狀等進行了優(yōu)化,以實現(xiàn)大帶寬和高響應(yīng)率。

 

為了評估TFLN器件的性能,該團隊將該器件應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它能高質(zhì)量地檢測到32 Gbaud的四級脈沖幅度調(diào)制 (PAM4) 信號。這些結(jié)果證明了TFLN平臺上的光電二極管在支持下一代高速傳輸系統(tǒng)方面的潛力。

 

該器件的3-dB帶寬達到了創(chuàng)紀錄的110 GHz,可與最先進的 TFLN 調(diào)制器相媲美?;诰A級TFLN磷化銦(InP)異質(zhì)集成技術(shù)的波導(dǎo)耦合光電二極管在1550納米波長下的暗電流約為 1 nA(納安培),響應(yīng)率為 0.4 A/W(安培/瓦)。


(a) 不同長度器件的測量(藍色圓圈)和模擬(黑色虛線)響應(yīng)率。(b) 不同有效面積器件的傳輸時間限制帶寬(藍色實線)、RC限制帶寬(紅色實線)、總帶寬(黑色虛線)和測量帶寬(黑色圓圈)。(c) 32-Gbaud PAM4信號的測量誤碼率(BER)與接收光功率的關(guān)系。(d) 10、20和32 Gbaud PAM4信號的眼圖和測量波形。

 

TFLN技術(shù)實現(xiàn)了嚴格的模式約束和高非線性效率,因此在光通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它已被用于構(gòu)建各種緊湊型集成光子器件,包括高性能調(diào)制器、偏振管理器件和寬帶梳頻源。

 

然而,LN在實現(xiàn)光源和光檢測器方面的固有困難阻礙了基于TFLN的集成光子學平臺的發(fā)展。該團隊在TFLN平臺上實現(xiàn)了超寬帶光電二極管的晶圓級集成,朝著解決這一問題邁出了重要一步。

 

研究人員證明,在TFLN平臺上異構(gòu)集成光電二極管具有應(yīng)用于下一代高速傳輸系統(tǒng)的潛力。

 

這項工作為實現(xiàn)大規(guī)模、多功能、高性能TFLN光子集成電路鋪平了道路。此外,它還為超高速光通信、高性能集成微波光子學和多功能集成量子光子學帶來了希望。

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