在过去的几十年里，集成光子学已经发展成为一种成熟的技术，能够在芯片上合成、处理和检测光信号。目前开发的 PIC 通过不同材料平台的异构或混合集成实现了几乎所有的核心功能 [207–210]，目前已在商业层面用于电信和数据中心。第二波浪潮正在进行中，其中 PIC 的非线性与应用相关，即集成非线性光子学。这些波导中固有的克尔、普克尔斯和布里渊非线性为非线性光信号的生成和处理提供了新的能力 [27,28,118,211]。在迄今为止为集成光子学开发的所有材料平台中，硅、磷化铟 (InP) 和 Si3N4 是三个领先的平台。与通常用于制造激光器、调制器和光电探测器等有源元件的硅和 InP 相比，Si3N4 由于其绝缘体和非晶态特性而性能有限。
尽管如此，Si3N4 的光损耗非常出色：基于通过化学气相沉积 (CVD) 生长的高质量薄膜，它具有超低的线性光损耗，并且由于其 5 eV 带隙，非线性损耗可忽略不计，这使得 Si3N4 在 1550 nm 左右的电信波长中不受双光子吸收 (TPA) 的影响。
Si3N4 的超低损耗目前在包括硅和 InP 在内的任何其他材料中都无法获得。此外，Si3N4 的折射率 (n(Si3N4) = 2.0) 低于硅和 InP 的折射率 (n(Si) = 3.5, n(InP) = 3.1)。较低的折射率可以实现较低的光学限制，但同时也降低了模式失配到光纤模式的程度，并有助于光纤-芯片边缘耦合。然而，Si3N4 完全是无源的，然而由于集成光子学的成熟和多功能性，在 Si3N4 上仍然可以与其他材料结合实现一些有源功能。例如，可以在 Si3N4 上实现集成二维材料（如石墨烯）[73,76,212,213]、铁电 PZT [52,77,90,92]、压电氮化铝 [12,54,91] 和电光 LiNbO3 [82,214,215] 的调制器。已经证明了多种方法可以通过混合 [4,39–41,216,217] 或异质集成 [7,210] 将 Si3N4 光子电路与激光器相结合。如今，Si3N4 凭借其低损耗和卓越的光功率处理能力 [166] 已成为集成线性和非线性 [27,210] 光子学的领先材料。迄今为止，在所有集成平台 [42] 中，Si3N4 PIC 中的光损耗低于 1 dB/m [5,22–24,218–221]。
尽管体压电执行器已广泛用于当今的商业激光系统中以调整激光频率，但直到最近，由于在 Si 基板上沉积高质量压电薄膜的成熟，它们才被集成在芯片上以调整 PIC。本节回顾了由 Si 和 Si3N4 制成的 PIC 的压电调谐进展。AlN 和 PZT 是迄今为止被广泛探索的两种主要压电材料，将在以下章节中分别讨论。
本文译自--Piezoelectric actuation for integrated photonics--
作者为--Hao Tian,1 Junqiu Liu,2,3 Alaina Attanasio,1 AnatSiddharth,4 Terence Blésin,4 Rui Ning Wang,4Andrey Voloshin,4 Grigory Lihachev,4 Johann Riemensberger,4 Scott E. Kenning,1 Yu Tian,1 Tzu Han Chang,1 Andrea Bancora,4 Viacheslav Snigirev,4Vladimir Shadymov,4 Tobias J. Kippenberg,4AND SunilA. Bhave1,∗,∗
本文主要有以下几个章节，我们分几篇来分享
简介
集成光子器件的超快压电调谐
激光应用中的压电调谐
射频声光调制
片上声光调制器的应用
未来发展
重点
Al2O3；--紫外光波导平台
SINOI；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，
SICOI；用于碳化硅光子集成线路的高纯半绝缘碳化硅薄膜衬底
LTOI；铌酸锂的最有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆
LNOI;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
划片和端面抛光，
减薄和包层CMP抛光
等离子刻蚀和划片，
EBL和6寸 150nmDUV加工微纳结构
激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"
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3.1. 未发布的 AlN 执行器
3.1a. 执行器设计和直流调谐
作为最著名的压电材料，AlN 因其成熟的代工厂级工艺而被广泛应用于现代声学射频滤波器。我们首次通过在顶部集成 AlN 压电执行器展示了 Si3N4 微环谐振器的调谐 [12,54]。图 7(a) 显示了一种典型的制造设备，其中一个圆盘形执行器重叠在微环谐振器的顶部。总线波导到微谐振器的耦合区域被打开，以防止任何由驱动引起的光耦合扰动（然而，这种影响可能非常微不足道）。从图 7(b) 中的横截面来看，1 µm 厚的 AlN 薄膜夹在顶部铝（100 nm 厚）和底部钼（100 nm 厚）金属层之间。与金或钛相比，选择钼 (Mo) 是为了将 AlN 的声阻抗降至最低。超低损耗 Si3N4 波导采用光子 Dama 场景工艺制造 [24,222,223]。光波导尺寸为 0.8 × 1.8 µm2，完全埋在 6 µm 厚的 SiO2 包层中，并放置在顶部金属边缘内 2 µm 处。波导上方 3 µm 厚的 SiO2 有助于防止 Mo 层的金属吸收。整个装置位于 230 µm 厚的固体 Si 基板上，在 MEMS 社区中被称为“未发布”结构。图 7(c) 显示了该装置横截面的假彩色扫描电子显微镜 (SEM) 图像，其中包括 Si3N4 波导中的光学模式。
Si3N4 上 AlN 压电致动器的设计。(a) 覆盖 Si3N4 微环谐振器的圆盘 AlN 致动器的光学显微镜图像（红色虚线）。(b) 标有刻度的器件横截面。(c) 制造的器件横截面的假彩色 SEM 图像，模拟的 TE00 光学模式重叠在光波导上。(d) +60 V DC 偏置下光波导周围水平应力分布的数值模拟。重叠的黑色箭头表示局部机械位移。(a) 和 (c) 经 Springer Nature 许可转载：Liu 等人，Nature 583, 385 (2020) [54]，版权所有 2020。
将多晶 AlN 薄膜和 Mo 溅射在 SiO2 包层上，该包层在溅射之前已通过化学机械平面化 (CMP) 抛光。SiO2 表面的亚纳米粗糙度有助于保持 AlN 薄膜的良好晶体取向，该薄膜的 X 射线衍射 (XRD) 摇摆曲线峰宽通常约为 2◦。AlN 具有纤锌矿结构，c 轴垂直指向正 z 轴。在顶部金属上施加正电压（底部金属接地）后，会形成沿负 z 方向的电场。由于 AlN 具有正压电系数 d33，它将在 z 方向上被挤压并水平膨胀（AlN 具有正泊松比）。从图 7(d) 中的 FEM 数值模拟来看，光波导周围产生了广泛的（正）应力和应力梯度，水平机械位移将微环向外推。另一方面，当施加负电压时，AlN 致动器从膨胀变为收缩，使得上述分析中的应力改变符号。这样，通过反转施加电压的符号可以实现双向调谐。可以类似地模拟光学模式分布，并且基本横向电 (TE00) 模式如图 7(c) 所示。通过结合机械和光学模拟，可以通过公式 (13) 估算光学微环谐振频率的调谐，同时考虑光弹性和移动边界效应。图 8(a) 显示了图 7 中设备的 TE00 模式的压电调谐。当施加正 80 V 时，谐振频率增加 1.2 GHz，这对应于蓝移。当施加负 80 V 时，谐振频率移至较低频率，显示双向调谐。可以看出，在调谐过程中谐振线宽保持不变，这意味着高光学 Q 不受影响。集成 AlN 执行器的估计固有品质因数 Q0>15 × 106 与没有 AlN 的裸微谐振器相同 [224]，表明单片集成 AlN 执行器与超低损耗 Si3N4 波导平台兼容。此外，直流电流消耗保持在 1 nA 以下，功耗在数十纳瓦的水平，允许大规模集成和低温应用。图 8(b) 绘制了谐振偏移对施加电压的依赖性，其中可获得高达 140 V 的高度线性调谐，调谐效率为 15.7 MHz/V。然而，来回扫描电压时会观察到一个小的滞后现象。虽然 AlN 是非铁电的，但滞后现象可能是由 AlN 与金属界面处以及多晶 AlN 晶粒边界处积累的电荷引起的。图 8(c) 显示了不同波长下的调谐范围，该范围在较长波长下呈线性减小。这是由于微谐振器的自由光谱范围 (FSR；191.0 GHz) 发生了 5.3 MHz 的变化。调谐对波长的线性依赖性表明色散没有可观察到的变化（其中 ∆FSR 随波长变化）。虽然控制色散的能力可以应用于频率梳频谱的多功能编程 [72]，但 FSR 的线性调谐更适合稳定频率梳的重复率 [35]。
光学谐振的压电调谐。（a）不同电压下一种光学 TE00 谐振的光传输。（b）当电压增加（红色）然后降低（蓝色）时，谐振偏移与施加电压的关系，显示出较小的滞后现象。（c）当电压从 −100 V 增加到 +150 V 时，不同中心波长的谐振的总谐振偏移。波长相关的调谐是由于压电驱动下自由光谱范围发生了 5.3 MHz 的变化。（b）和（c）经 Springer Nature 许可转载：Liu 等人，Nature 583, 385 (2020)
[54]，版权所有 2020。
从图 7(d) 中的应力模拟可以看出，应力在致动器边缘周围变化很大。因此，有必要优化光波导相对于致动器的位置。我们通过实验制造并测量了具有不同波导位置的装置，如图 9 所示。当波导从致动器外部移动到内部（负移到正移）时，TE00 模式的调谐效率会增加，并且随着它向内移动而饱和，此时应力变得更加均匀。对于 +8 µm 的偏移，TE00 模式的最大调谐为 32 MHz/V。不同的是，由于光弹效应的各向异性，TM00 模式的调谐几乎保持在 20 MHz/V 左右的恒定值。因此，为了获得更好的调谐效率，波导的首选位置是在致动器内部。
3.1b。调谐速度
除了低功耗之外，压电调谐相对于热调谐的另一个关键优势是调谐速度快（即驱动带宽宽）。调谐速度主要取决于三个因素，包括 RC 常数时间、光子寿命和机械传导时间。由于器件面积小，AlN 的介电常数小（ϵr = 9），因此电容估计为 10 pF，可保证 ∼10 ps 的快速电响应。光子寿命是光学谐振器特有的，可以通过 τph = λQ/2πc [225] 估算，即 ∼0.1 ns，光学 Q ∼ 105。这对于马赫-曾德干涉仪 (MZI) 等宽带光子器件来说不是一个限制。SiO2 中的高声波速度（5900 米/秒）保证了在波导周围快速（约 0.5 纳秒）建立应力场，理论上可以实现亚纳秒级响应。基于这些观察，可以预期整体亚纳秒级动态响应。
可以通过研究设备的时域动态响应来表征驱动速度，如图 10 所示。在小信号（Vpp = 2 V）1 MHz 方波的驱动下，同时在光谐振斜率处偏置激光器，输出光强度受到调制 [见图 10（a）]。输出跟随输入方波，并显示两个电压电平之间的急剧切换，具有高信噪比 (SNR)。此外，在图 10（b）中应用了宽度为 20 ns 的 5 MHz 电脉冲。为了定量表征致动器对输入电信号的响应程度，计算了输入和输出信号之间的归一化互相关，如图 10（b）的插图所示。输入信号本身的自相关（红色）与互相关（黑色）之间的相似性表明了超快驱动。如图 10(c) 所示，通过施加 6 GHz 方波 (Vpp = 7 V) 来测试执行器的极限调谐速度。输出光调制 (橙色) 以相同的 6 GHz 重复率显示振荡，这一事实表明压电执行器能够进行高速信号传导。在实际应用中，通常需要线性传导，这不仅可以保持输入电信号的高纯度，还可以简化驱动电路和信号后处理的设计。这对应于频率的平坦响应
域。尽管压电致动器的传导速度很高，但可以观察到，当从一个电压状态切换到另一个电压状态时，调谐边缘存在尖峰[见图 10(a)]。它们来自在块状 Si 基板中激发的机械共振的振铃和整个光子芯片（尺寸为 5 × 5 mm2）本身的振动。
可以使用图 11(a) 中的设置测量频率响应，其中致动器的散射参数由矢量网络分析仪 (VNA) 表征。机电 S11 测量在使用 VNA 的端口 1 驱动时致动器的电能反射。如图 11(b) 所示，机械共振是从电能转换为声能进入设备的下降处发现的。这些共振将体现在光的调制中，如图 11(c) 中的光机械 S21 响应所测量的那样。可以发现一系列等距的机械共振，它们与 S11 中的下降对齐。这些共振是厚 Si 基板内部形成的 HBAR 模式，其自然地充当声学法布里-珀罗腔。与光学一样，它们之间的间距（也称为 FSR）与 Si 厚度成反比。HBAR 模式的第一谐波位于 18.5 MHz。由于单晶 Si 基板的高质量，获得了机械 Q ∼ 100，并且共振和反共振之间的高信号对比度严重限制了频率响应的平坦度，从而限制了线性传导带宽。机械 Q 主要受不同层界面处发生的散射损耗的影响，这取决于每层表面的光滑度。此外，底部芯片支架对 HBAR 模式的阻尼会影响 Q，这与芯片的安装方式有关。这些损耗机制可用于进一步抑制机械共振。尽管在低频下不受欢迎，但这些 HBAR 模式可延伸至几千兆赫，这为高效 AOM 开辟了一条新途径，稍后将讨论
TE00（红色方块）和 TM00（蓝色圆圈）模式下光波导和执行器之间不同相对位置下的调谐效率。插图显示了光波导相对位移的定义（蓝色虚线框）。改编自参考文献 [110]。
如图 11(d) 所示，整个芯片在较低频率（数百千赫兹）下的体机械模式也将由压电致动器激发。可以支持多种机械模式，包括弯曲模式、拉梅模式和面剪切模式 [226]。弯曲模式的振动主要在平面外，而拉梅模式和面剪切模式的振动则在平面内。图 11(d) 的插图显示了典型拉梅模式之一的轮廓。HBAR 和芯片模式都会扭曲转换信号，特别是在需要方波和三角波调制等宽带信号的情况下，需要在实际应用中小心缓解。
执行器的时域响应。在 (a) 1 MHz、2 V Vpp 方波（灰色）和 (b) 20 ns 短脉冲（20 V Vpp 和 5 MHz 重复率）的电驱动下，输出光强度（橙色）的调制。(b) 中的插图显示了输入和输出信号之间的归一化互相关（黑色）以及输入信号的自相关（红色）。(a) 和 (b) 中的右侧 Y 轴表示谐振波长的相对偏移。(c) 6 GHz 方波下的调制。
在原始信号衰减 100 倍后测量电信号（灰色）。(a)–(c) 根据 CC BY 许可转载。
3.1c. 提高调谐速度的策略
如上一节所述，兆赫频率下芯片的高机械模式密度限制了驱动光机械带宽。在参考文献[52]中，我们研究了多种策略来抑制这些芯片机械模式，从而实现了高达 10 MHz 的平坦响应。在低频下，与声波的波长相比，致动器相对较小，因此可以将其视为局部发射声波的点源。受参考文献[227]的启发，其中纳米机械膜的弯曲模式被弹性波之间的远场相消干涉抑制，可以通过差分驱动两个相邻的致动器来减轻弯曲模式。如光学图像所示
压电致动器的频域响应。（a）频率响应测量装置示意图。ECDL，外腔二极管激光器；PC，偏振控制器；DUT，被测设备；PD，光电二极管；VNA，矢量网络分析仪。（b）致动器的机电 S11 和（c）光机械 S21 频谱响应。每个 HBAR 模式的位置和频率均已标记。（c）中的插图是在 Si 基板中形成的 HBAR 模式的示意图。（d）10 MHz 以下的 S21 放大视图，频率以对数刻度绘制。插图显示了光子芯片在 755 kHz 下的一种典型机械振动模式。（a）根据 CC
BY 许可转载。（b）–（d）转载自参考文献 [110]。
消除芯片模式的策略。单驱动（灰色）和双执行器差动驱动的光机械 S21 响应，位于普通方形芯片（绿色）、切趾芯片（红色）和碳带上的切趾芯片（蓝色）。插图显示了方形芯片和切趾芯片（1.69 MHz）的三种机械模式的数值模拟；具有双执行器配置的切趾芯片的照片；以及双执行器差动驱动的实验示意图。根据 CC BY 许可转载。
3.1c. 提高调谐速度的策略
如上一节所述，兆赫频率下芯片的高机械模式密度限制了驱动光机械带宽。在参考文献 [52] 中，我们研究了多种策略来抑制这些芯片机械模式，从而实现了高达 10 MHz 的平坦响应。在低频下，致动器与声波的波长相比相对较小，因此可以将其视为局部发射声波的点源。受参考文献 [227] 的启发，其中纳米机械膜的弯曲模式被弹性波之间的远场相消干涉抑制，可以通过差分驱动两个相邻的致动器来减轻弯曲模式。如图 12 中插图的光学图像所示，辅助盘致动器放置在光学微环谐振器上的致动器旁边。通过用相同信号但具有π相位差驱动它们，可以有效抑制机械共振的激发，如图12中的绿色曲线所示。然而，它对1 MHz以下的模式最有效，其中大多数弯曲模式都存在（例如，225和490 kHz的模式）。平面内Lamé和剪切模式仍然很重要，例如967 kHz共振。为了进一步抑制平面内声波，整个芯片被切趾成具有非平行边缘的多边形，以偏转反射，使得平面内
声波不能产生共振。图 12 左下方的光学图像显示了其中一个切趾光子芯片，其中顶部两个角被故意切割以减少平行面。这种策略将响应的平坦度进一步扩展到 1 MHz 以上，如图 12 中的红色曲线所示。但是，由于光必须通过芯片的左右边缘耦合进出，因此它们仍然是平行的。图 12 显示了 1.69 MHz 下切趾芯片的一种机械模式。最后，通过将切趾芯片附着在一块碳带上，然后差分驱动执行器，平坦响应扩展到 10 MHz，变化小于 1 dB（图 12 中的蓝色曲线）。这种平坦的响应将改善集成可调谐激光器和调频连续波 (FMCW) LiDAR 的压电驱动的线性度，因为任何非线性都会在光传播长距离（>100 米）时降低 SNR [52]。虽然这些策略对于芯片的机械模式有效，但垂直驻留在基板中的数十兆赫的 HBAR 模式将需要额外的解决方案。在参考文献 [12] 中，我们建议通过各向同性的 XeF2 蚀刻使 Si 基板的背面变粗糙，并附着一层聚氨酯环氧树脂以吸收声波，从而消除 HBAR 模式 [228]。然而，这种方法只对千兆赫频率的 HBAR 模式有效，其中声波波长具有与背面粗糙度相似的长度尺度。另一方面，由于 HBAR 的第一谐波与基板厚度成反比，通过减薄 Si 基板，可以增加 HBAR 模式的频率，从而拓宽线性驱动带宽。由于 RC 时间常数最终限制了电容式致动器的速度，我们进一步研究了一种面积较小的环形致动器的新设计，如图 13 所示。设计了一系列具有不同内半径的致动器，同时保持外半径为 470 µm，光学微环位于环形的外缘。图 13(b) 绘制了调谐效率和电容与内半径和外半径之比的关系。零内半径对应于前面讨论过的圆盘形致动器。随着内半径的增加，调谐效率和电容都会降低。这是因为环形致动器具有更多的自由边界，从而损害了应力限制。然而，曲线的斜率随着调谐效率而降低，但随着电容而增加。因此，可以设计一个环形执行器，在保持合理调谐效率的同时，大大降低电容。
尽管 AlN 执行器不受 RC 时间的限制，但这种策略对于 PZT 执行器很有前景，因为 PZT 执行器由于其介电常数较大，电容为纳法拉级。
3.2. 释放式 AlN 致动器
上一节介绍的器件牢固地安装在 Si 基板上，因此机械变形受到限制，调节主要依赖于光弹效应。通过部分移除压电致动器下方的 Si，致动器获得更多自由度，以产生机械位移，从而变形光子器件的形状。这种技术称为“释放”，已广泛应用于传统 MEMS 技术。机械变形将根据器件设计以不同的方式改变光子器件的属性 [88]。例如，可以机械控制光定向耦合器中的间隙，以调节光开关中的输出功率比 [105]。MZI 中臂的长度可以机械拉伸，以调制相对相位 [91,229]。对于以下各节讨论的光学微环谐振器，可以通过压电致动器来扩大或缩小环的尺寸，从而改变有效腔长。这种纯机械效应通常比光弹效应更强，表现出更大的调谐范围，而且更
对于较小的设备来说，这一点非常突出，因为它与半径∆r/r的相对变化成正比。
3.2a. 直流调谐
图 14 显示了具有 AlN 压电致动器的典型释放设备之一
[16]。在 SiO2 包层上制造了一个甜甜圈形致动器，该致动器通过 SiO2 层下的 Si 各向同性蚀刻释放。打开一个大的中心孔和九个外部孔，以便蚀刻气体与下面的 Si 发生反应并形成均匀释放的氧化膜，如图 14（b）所示。从图 14（d）中的倾斜假色 SEM 中可以更清楚地看到独立的膜。Si3N4 微环嵌入 SiO2 包层中，位于致动器的内周边。波导距离氧化物包层的内边缘 6 µm [见图 14(c)]，这可防止由于氧化物蚀刻导致的侧壁粗糙度造成的散射损失。因此，光学 Q 在发布后保持完好。图 14(e) 显示了 TE00 和 TM00 模式的直流调谐，其中实现了线性和双向调谐 [230]。TE00 和 TM00 模式的调谐效率分别约为 50 MHz/V，是尺寸相似的未发布设备的两倍多 [12]。
发布设备的制造流程如图 15 所示。首先采用减成工艺 [231] 或光子镶嵌工艺 [24,223,232] 制造 Si3N4 光子晶片。在沉积 AlN 之前，SiO2 包层的顶面要经过
减少执行器 RC 常数时间的策略。（a）内半径和外半径分别为 rin 和 rout 的环形执行器的示意图。（b）实验测量的内半径和外半径之间不同比率的调谐效率（黑色曲线）。
执行器的相应电容计算为红色曲线化学机械抛光 (CMP)，以便获得亚纳米级的表面粗糙度，从而更好地实现 AlN 薄膜的晶体取向。
在同一真空室中，依次将多晶 AlN 和底部 Mo 金属溅射到光子晶片上。首先使用气体 Cl2 和 BCl3 通过反应离子蚀刻 (RIE) 对 AlN 进行干蚀刻，以确定 AlN 致动器的形状。对底部 Mo 进行干蚀刻，以对底部电极接触垫进行图案化。使用利用电子束蒸发的标准剥离工艺对顶部 Al 金属进行图案化。在下一步中，通过 SiO2 和 Si 的深 RIE (DRIE) 制造释放孔，其具有各向异性，并且在垂直方向上具有良好的选择性，如图 15(e) 所示。请注意，芯片之间的切割线也采用相同的步骤蚀刻，从而产生光滑的芯片边缘，以实现良好的透镜光纤到芯片边缘耦合
带有释放的 AlN 压电致动器的 Si3N4 微环谐振器的直流调谐。
(a) 释放设备的光学显微镜图像。(b) (a) 中白色框中总线波导环耦合区域周围的放大视图。(c) 径向横截面，尺寸如标记。(d) (a) 中红色框的假彩色 SEM。
(e) TE00 和 TM00 模式光学谐振的直流调谐。(a)–(d) © 2021IEEE。经 Tian 等人许可转载，2021 IEEE 第 34 届微机电系统 (MEMS) 国际会议，第 210-213 页 (2021) [16]。
随后，使用 SF6 进行 Si 各向同性干法蚀刻，以切割和悬浮 SiO2 膜。最后一步的机械研磨用于将晶圆单片化为芯片。
对于图 14 中的设备，必须在平坦的 SiO2 包层上制造 AlN，以在 AlN 的垂直方向上保持高质量的晶体排列。
这限制了 SiO2 层水平方向上的设计自由度。如图 16 所示，Stanfield 等人 [91] 展示了一种埋入式致动器设计，其中首先制造 AlN，然后沉积和蚀刻 Si3N4 微环谐振器。这允许人们蚀刻 SiO2 层包层以优化机械变形。在这里，他们去除了中心的大部分 SiO2，只在外围留下了一堵薄壁作为光波导[见图 16(b)]。这样，波导在径向上具有更大的自由度，从而可以实现微环半径的更大相对变化，如图 16(c) 所示。另一方面，应力被释放，并且在波导周围很小 [见图 16(d)]。因此，调谐主要来自光学环的机械变形。
如图 16(e) 所示，通过实验测量了室温下的调谐。获得了效率高得多的 480 MHz/V 的线性调谐。该效率是参考文献 [91] 中研究的具有类似设计的未发布设备的 2.4 倍。没有观察到磁滞，说明 AlN 薄膜的质量很高。据报道，2 V 时静态功耗为 8 pW，相当于 8 fW/MHz 的功率效率。凭借这种低功耗，他们进一步展示了调谐
图 14 中释放的 AlN 压电执行器的制造流程。
已发布的具有埋入式设计的 AlN 执行器。(a) 典型已发布的光学微环谐振器的 SEM，半径为 20 µm。(b) AlN 执行器和 Si3N4 波导横截面的 SEM 放大图（紫色）。(c) −1 V 下机械变形的有限元模拟（缩放 10,000 倍）。模拟的 TE00 光学模式以红色显示。(d) −1 V 下的 Von Mises 应力分布。(e) 在室温下沿正向（蓝色圆圈）和反向（红色十字）扫描方向调整 TE00 谐振，显示 480 MHz/V 的调谐效率。(a)–(e) 经 [91] 许可转载。© 光学学会
在低温 (7 K) 下，效率为 260 MHz/V。测量发现，AlN 执行器的电阻在低温下增加了 40 倍，从而进一步将漏电流和电功率耗散降低至亚皮瓦级
释放的执行器的动态调谐和机械共振。（a）模拟基本机械模式的位移。（b）实验测量的光机械 S21 响应，显示 1.36 MHz 的机械模式。（c）设备在 10 kHz 方波和 10 V Vpp 下的时间动态响应。（a）–（c）中的结果来自图 14 中的设备。（d）图 16 中设备的光机械 S21 响应，第一个机械模式为 7.26 MHz。（a）–（c）转载自参考文献 [110]。（d）经 [91] 许可转载。© 光学学会
3.2b. 释放执行器的机械共振
虽然由于释放后刚度较小，执行器将具有较大的变形和调谐效果，但这不可避免地会降低基本机械频率，从而限制调谐带宽和线性度。因此，在针对具体应用进行设计时，必须考虑调谐带宽和范围之间的权衡。图 17(a) 显示了图 14 中氧化膜上下弯曲的装置的基本机械振动模式。其频率经实验测得为 1.36 MHz，机械 Q ≈ 190，如图 17(b) 所示。其对调谐的影响表现为从一种状态切换到另一种状态时的机械振铃。在图 17(c) 中，将 10 kHz 方波施加到释放的执行器上。然而，由于机械 Q 值高，机械振动需要几十微秒才能振铃，这在很大程度上限制了调谐速度。
类似地，对于图 16 所示的设备，第一个机械模式似乎位于 7.26 MHz [见图 17(d)]。这些机械模式可以通过先进的封装技术来缓解，其中设备被封装在惯性阻尼气体中 [233]。机械振动幅度和 Q 都可以大大抑制。我们还可以通过过滤机械共振频率的频率分量来预处理输入信号。这些先进的策略可以减少机械共振的影响，值得在未来进行更多研究。
3.3. 使用 PZT 执行器进行压电调谐
尽管使用 AlN 释放和未释放执行器成功演示了压电调谐，但 AlN 具有相对较小的压电系数，需要高达 100 V 的高电压。虽然这可以使用充放电泵电路在芯片上实现，但由于电容较大，它们通常非常慢。PZT 是一种传统的压电陶瓷，其压电响应几乎是普通压电陶瓷的 20 倍，已广泛应用于 MEMS 社区的传感器、执行器和换能器[234]。最近十年，才成功证明了在光子晶片上沉积 PZT 薄膜和制造 PZT 执行器。本节回顾了未释放和释放的 PZT 执行器在光子设备调谐中的应用。
3.3a。未发布的硅微环谐振器的 PZT 调谐
如图 18 所示，Sebbag 等人率先实现了光子器件的 PZT 调谐。[108] 在绝缘体上硅 (SOI) 晶片上制作了一个半径为 20 µm 的硅微环谐振器，250 nm 器件层位于 2 µm 厚的埋层氧化物层 (BOX) 上。在光子晶片上旋涂了 500 nm 溶胶凝胶形态同型 PZT (Zr/Ti = 52/48) 薄膜，然后在 650 ◦C 下退火使其结晶。PZT 夹在顶部 (100 nm Au) 和底部 (100 nm Pt) 金属电极之间，用于施加电压。与之前的 AlN 致动器不同，PZT 不需要平坦的顶面来生长多晶，从而可以对顶部氧化物包层进行图案化并设计应力分布。他们发现，在波导上方形成氧化物盖可以将应力集中在氧化物角落周围，以增强应力光学调谐，如图 18(b) 所示。由于 PZT 也是一种铁电材料，因此在 50◦C 下对其进行电极化 10 分钟，以使不同域中的极化沿同一方向对齐，从而最大化其压电响应。图 18(c) 显示了在不同电压下对一个光学谐振进行调谐，当电压较大时，它会移至更长的波长（红色调谐）。在 4 V 时，谐振偏移 34 pm（对应于 4.2 GHz 频率变化），在 6 V 时，谐振偏移 115 pm（14.4 GHz），这比之前使用 AlN 执行器的演示要大得多。除了更大的压电响应外，Si 更大的光弹效应也有助于提高调谐效率。值得注意的是，在增加和减少电压时测量的 4 V 光谱之间的差异说明了 PZT 执行器的滞后行为。它来自铁电性，其中极化可以通过电场重新定向。尽管在需要线性调谐的应用中不受欢迎，但滞后现象可用于实现光学检测存储系统 [108]。通过将 1 kHz 方波施加到执行器来测试调谐速度，从光调制中观察到 100 µs 的上升时间，该时间受光电探测器的限制。
3.3b. 未发布的 Si3N4 微环谐振器的 PZT 调谐
随着高质量、低损耗 Si3N4 波导制造的成熟，过去十年来一直在探索 Si3N4 光子器件的 PZT 调谐 [24,222,223,231,232]。
两种 Si3N4 波导设计被广泛探索。一种是厚 Si3N4 波导，它具有严格的模式限制，采用光子镶嵌工艺 [24,222,224,232] 或热循环工艺制造，以解决厚 Si3N4 膜中内置的高应力 [25,235]。另一种设计采用减成工艺制造的薄 Si3N4
波导，其中光学模式主要位于 SiO2 包层中 [5,219,220]。由于模式限制较少，薄 Si3N4 光环谐振器的半径为毫米级，以保持较低的
使用 PZT 致动器调谐 Si 微环谐振器。(a) 制造的 PZT 致动器和光学微环谐振器的光学图像。(b) 施加 5 V 直流电压下的应力 σx 分布。材料如标签所示。(c) 不同电压下的光透射光谱。测量了 4 V 正向（蓝色）和反向（深红色）扫描方向的光谱。(a)–(c) 经 Sebbag 等人许可转载，Appl. Phys. Lett. 100, 141107 (2012) [108]。版权所有 2012，AIP Publishing LLC。
弯曲损耗，而厚 Si3N4 环谐振器的半径可低至 20 µm [236]。
图 19(a)–(c) 显示了使用 PZT 盘致动器对厚 Si3N4 微环谐振器进行压电调谐的情况 [52,55]。根据图 9 中的发现，微环放置在致动器内部 8 µm 处。从图 19(b) 中的假彩色 SEM 中可以看出，1 µm PZT 薄膜夹在顶部和底部 100 nm 铂 (Pt) 电极之间。
与 AlN 致动器的主要区别在于，PZT 工艺允许图案化底部电极消除焊盘电容。这对于 PZT 尤其重要，因为它具有 1000 量级的大介电常数 [117]。Si3N4波导 (0.9 × 2.2 µm2) 嵌入 6 µm SiO2 包层中，位于底部 Pt 电极下方 2.5 µm。与之前类似，PZT 执行器在室温下以 25 V 进行极化，以对齐极化，从而实现最大调谐效率。图 19(c) 绘制了具有不同半径和 FSR 的微环谐振器的直流调谐。
在施加 30 V 时，可实现超过 10 GHz 的调谐。然而，由于 PZT 域中的极化饱和，调谐在更高电压下逐渐饱和。执行器的电流消耗在 20 V 时保持在 1 nA 以下，表明功耗低至纳瓦级。值得注意的是，施加高达 50V 的电压也不会击穿 PZT 薄膜，显示出超过 50 MV/m 的高击穿场。
使用 PZT 执行器对厚 Si3N4 微环谐振器进行调谐。(a) 光学微环谐振器上的 PZT 执行器的光学图像（红线）。(b) (a) 中器件横截面的假彩色 SEM。(c) 对具有不同半径和 FSR（如标记）的器件进行光学谐振调谐。(d) 100 GHz FSR 和 (e) 30 GHz FSR 器件在 100 kHz 方波下的调谐动态。(a) 和 (b) 根据 CC BY 许可转载。(c) © 2023 IEEE。经 Tian 等人许可转载，2023
IEEE 第 36 届微机电系统 (MEMS) 国际会议，
第 149-152 页 (2023) [55]。(d)、(e) 转载自参考文献 [110]。
调谐效率随器件尺寸减小（FSR 增加）而增加。这是由于半径 ∆r/r 对谐振频率的相对变化（见公式 (14)）所致，半径 r 越小，该变化越大。对于 25 GHz FSR 器件（红色曲线），在 40 V 下可获得超过一半的 FSR 调谐，导致微环中的光发生 π 相移。计算得出的品质因数（调制长度积）VπL 为 22 V·cm，比使用 LiNbO3 [10] 的电光调制状态大一个数量级。然而，由于 Si3N4 波导的超低损耗，调制损耗积 VπLα = 1.87 V·dB 与 LiNbO3（1 V·dB）相当。调谐速度可以从时间响应推断出来，如图 19(c-d) 所示。对于较小的设备（FSR = 100 GHz），从一种状态切换到另一种状态需要 0.2 µs。由于 PZT 的介电常数较大，因此速度最终受到大型设备的 RC 时间常数较大的限制。因此，30 GHz FSR 设备需要 1.4 µs 才能响应，这是对大型 PZT 板电容器充电的时间。Wang 等人 [109] 展示了薄 Si3N4 波导（厚度为 175 纳米）的压电调谐，如图 20 所示。由于薄 Si3N4 波导的限制性较低，为了保持较高的固有光学 Q0 ∼ 7 × 106，在波导正上方的 PZT 致动器中打开了一个间隙，并且 PZT 相对于波导中心偏移了 2 µm[见图 20(a)]。图 20(b) 显示了半径为 625 µm 的制造器件的光学图像。图 20(c) 绘制了正向和反向电压扫描下谐振波长的直流调谐。可以观察到非线性和滞后调谐，调谐效率为 162 MHz/V，这导致 VπL 为 43 V·cm，VπLα 为 1.3 V·dB。同样，据报道 20 V 时的功耗为 20 nW。
使用 PZT 执行器调谐薄 Si3N4 微环谐振器。(a) 薄 Si3N4 波导上的 PZT 执行器的横截面。(b) 制造的器件的光学图像。(c) 在前向（蓝色）和后向（红色）扫描方向上调谐谐振波长，显示磁滞和非线性调谐。(d) 执行器的频率响应分别显示 15 和 25 MHz 的 3 dB 和 6 dB 带宽。(a)–(d)
经 [109] 许可转载© 2022 Optica Publishing Group
有趣的是，获得了一条蝴蝶状的调谐电压曲线，该曲线与铁电材料的典型应变-电场曲线一致。它与电场下极化域的切换有关。例如，随着电压从负增加到零（蓝色曲线），沿负方向排列的域的数量逐渐减少，但仍有一些域留在 V = 0。当电压进一步变为正号但值较小时，电场和极化具有相反的符号，波长增加（相对于 V = 0）。随着电压进一步增加，所有域都与电场对齐，现在处于正方向，然后波长从增加变为减小。可以在所有域都被场切换的转折点处找到 PZT 的矫顽场。向后扫描电压时可以观察到类似的效果。因此，与 AlN 不同，PZT 在高正电压和负电压下显示相同的调谐方向，因为域与场保持对齐。要实现双向调谐，需要施加并维持直流偏置。由于环形致动器的面积小于磁盘，因此实现了 15 MHz（相当于 0.067 µs）的 3-dB 调谐带宽。因此，根据具体应用，应仔细设计致动器的形状和面积，在调谐效率和速度之间进行权衡。
3.3c. 未发布的 Si3N4 MZI 的 PZT 调谐
除了微环谐振器之外，光学 MZI 是集成光学电路中另一个重要的构建块。与可以
微环只能在具有窄线宽的离散光学谐振频率下工作，而 MZI 可以支持宽光学带宽，但占用空间较大。这一特性使其在电光调制器中脱颖而出，在电光调制器中，它通常比微环 [10] 具有更高的调制带宽，并且更容易在光通信中实现波分复用 (WDM)。此外，MZI 可以在芯片上进行分束器操作，这是光神经网络 (ONN) [57] 和光子量子计算 [58,237] 中的基本元素。MZI 的主动调谐对于可编程光子电路重新配置以执行复杂的计算任务（例如幺正变换）非常有希望 [238–240]。然而，大多数演示都依赖于热光调谐，而热光调谐在缩放、功耗和串扰方面实际上受到限制 [57,58,240]。从这个意义上讲，压电调谐正受到广泛关注，并将在未来发挥重要作用。
基于 PZT 致动器的 Si3N4 MZI 调谐由 Hosseini 等人率先提出。
[92] 如图 21(a) 所示，其中一个矩形 PZT 致动器放置在 MZI 的一个臂的顶部。PZT 引起的应力将改变波导的有效折射率，从而改变两个臂之间的相对相位和干涉后的输出光强度。25 纳米薄 Si3N4 波导（4 µm 宽）设计用于支持 640 nm 光波长的基本 TM00 模式。由于光模式的限制较弱，波导放置在底部金属下方 8 µm 处以保持较低的光损耗。与前面部分中展示的工作不同，2 µm 的 PZT 是通过脉冲激光沉积 (PLD) 沉积的。请注意，PZT 均匀覆盖整个设备，只有顶部金属被图案化以产生局部应力。需要仔细设计执行器参数以获得最大的相移。首先，臂中累积的相位与执行器的长度成正比，这通常以半波电压-长度积 VπL 的品质因数来捕获。其次，PZT 膜越厚，在相同电场量下产生的应力越大。PZT 的厚度主要受较厚薄膜可保持的 PZT 质量的限制，并且取决于沉积方法。最后，需要通过 FEM 模拟优化执行器的宽度，以实现最高的折射率变化。最佳值为 30 µm，可在参考文献 [92] 中找到。图 21(c) 测量了 MZI 在不同电场下的光学传输，其中可以找到典型的余弦函数。π 相移可从 2.5 到 8.5 V/µm 获得，对应于 Vπ = 12 V 和 VπL = 12 V·cm（致动器的长度为 1 cm）。请注意，相移与波长成反比，因此需要缩放 640 nm 处的品质因数，以便与 1550 nm 左右的典型电信 C 波段的结果进行比较。
最近，同一研究小组通过优化 PZT 致动器和 Si3N4 波导的设计，进一步改善了 MZI 的相移 [93,241]。如图 21(d) 所示，引入了一个圆顶形致动器，它可以有效地将应力集中在波导上，从图 21(e) 中的数值模拟中可以看出。该结果与之前关于 Si 微环谐振器的 PZT 调谐工作的发现 [108]（见图 18）一致。此外，圆顶可以在 Si3N4 波导的减材制造过程中自然形成，其中蚀刻 Si3N4 留下高度为 1 µm 的表面拓扑，圆顶是通过均匀沉积覆盖整个波导的 SiO2 顶部包层形成的。另一方面，设计了一种非对称双带波导来严格限制光学模式，从而使顶部包层的厚度从 8 µm 减小到 3 µm。这可以大大增加光学模式和应力分布之间的重叠。通过实施这些改进，可以实现 1π 到 2π 之间的相移
在 40 V 下，取决于沉积的 PZT 薄膜的结构特性，如图 21(f) 所示。最大 VπL 为 16 V·cm，几乎比具有平面结构的 PZT 执行器好两倍。调谐速度进一步从时间域阶跃响应推断出来，拟合时间常数为 0.85 µs。高速得益于圆顶形设计，该设计允许更窄的执行器（本例中为 10 µm），面积和电容更小 [241]。
3.3d. 释放的 PZT 执行器
通过释放 PZT 执行器可以大大提高调谐效率，正如 Jin 等人所证明的那样。[90] 并如图 22 所示。设计的设备的横截面如图 22(a) 所示，其中 1 µm 厚的 PZT 执行器放置在底切的平坦 SiO2 包层上。谐振调谐主要通过在驱动时弯曲 SiO2 膜从而改变半径来实现。因此，Si3N4 波导不需要位于 PZT 致动器下方（应力最大的地方），而应该放置在靠近边缘的位置。从图 22(c) 中的模拟可以看出，由于机械结构更软，更容易弯曲，因此可以使用更宽的底切获得更大的调谐。然而，较大的底切会导致较低的机械振动频率，并且在释放时变得脆弱。模拟还表明，当微环的半径远大于底切时，环半径的变化
Si3N4 MZI 的 PZT 调谐。(a) Si3N4 MZI 的顶视图，一条臂上有 PZT 致动器。(b) 致动器和薄 Si3N4 波导的横截面。(c) 在增加 PZT 电场的情况下，MZI 的光传输测量值（红点）和模拟值（灰色实线）。(d) 圆顶形 PZT 致动器横截面的 SEM，位于不对称双条纹 Si3N4 波导（假色为蓝色）的顶部。(e) 在顶部电极上施加 40 V 时垂直应力 (σy) 的数值模拟。(f) 圆顶形 PZT 致动器在不同电压下引起的 MZI 一条臂的相移。在 40 V 下，相移介于 1.1π 和 1.9π 之间，具体取决于 PZT 的质量。（a）–（c）经许可转载自[92]© 2015 光学学会。（d）–（f）经许可转载自 Everhardt 等人，Proc. SPIE 12004，集成光学：设备、材料和技术 XXVI，1200405 (2022) [93]。
释放 PZT 调谐薄 Si3N4 微环谐振器。(a) 器件的横截面，标有关键尺寸。(b) 制造的器件的假彩色 SEM，显示释放的 SiO2 膜的屈曲。(c) 测量（星点）和模拟（实线）调谐具有不同底切的谐振波长。
虚线黑线表示微环的 FSR。(d) 正向和反向扫描电压下的波长调谐。(e) 执行器的频率响应，显示释放的执行器的机械共振。(f) 悬臂的基频和第一高阶振动模式的数值模拟。(a)–(f)经 [90] 许可转载 © 2018 光学学会。
∆R 几乎与半径无关。由于波长调谐 ∆λ 与半径 ∆R/R 的相对变化成正比，因此对于较小的环可以获得更大的调谐，这与图 19 中的结果一致。另一方面，调谐相对于 FSR 的比率 (∆λ/FSR) 相对于半径保持不变。
图 22(b) 显示了制造的设备的 SEM。请注意，悬臂的弯曲不是由于压电驱动，而是由于 SiO2 膜在释放后由于内置应力而屈曲。在一个 FSR 上，施加电压低至 16 V [见图 22(c)] 即可实现谐振的调谐，这相当于 3250 MHz/V 的调谐效率。由于铁电性质，调谐对于更大的调谐变得高度非线性PZT 和悬臂的旋转运动 [90]。由于调整一个 FSR 会使光在环中移动 2π，因此可以推断半径为 580 µm 的器件的 VπL 为 3.6 V·cm。图 22(d) 报告并描述了调谐滞后现象，其中还观察到了蝴蝶形曲线。至于功耗，虽然在 5 V 以下保持低漏电流 (<10 nA)，但电流不断增加并最终导致 PZT 在 25 V 以上击穿。这可能是由于沉积的 PZT 薄膜质量低，并且对于制备良好的 PZT，通常可以获得 nA 级漏电流 [242]。如图 22(e) 所示，调谐带宽主要受悬臂的机械振动模式限制，基模为 265 kHz。图 22(f) 显示了基频和一阶模态的模拟模态形状。请注意，图 22(e) 中 1 MHz 以上的频率响应截止是由于具有 10 nF 电容的执行器的 RC 时间常数造成的。
表 3. 光子器件最新压电调谐方法比较a
PZT 和悬臂的旋转运动 [90]。由于调整一个 FSR 会使光在环中移动 2π，因此可以推断半径为 580 µm 的器件的 VπL 为 3.6 V·cm。图 22(d) 报告并描述了调谐滞后现象，其中还观察到了蝴蝶形曲线。至于功耗，虽然在 5 V 以下保持低漏电流 (<10 nA)，但电流不断增加并最终导致 PZT 在 25 V 以上击穿。这可能是由于沉积的 PZT 薄膜质量低，并且对于制备良好的 PZT，通常可以获得 nA 级漏电流 [242]。如图 22(e) 所示，调谐带宽主要受悬臂的机械振动模式限制，基模为 265 kHz。图 22(f) 显示了基频和一阶模态的模拟模态形状。请注意，图 22(e) 中 1 MHz 以上的频率响应截止是由于具有 10 nF 电容的执行器的 RC 时间常数。
3.4. 最新方法的比较
在本节中，我们总结并比较了使用 AlN 和 PZT 执行器演示的集成光子器件的压电调谐性能，为未来的器件设计提供了指导，如表 3 所示。可以看出，由于 PZT 执行器的压电响应较大，因此其调谐效率通常比 AlN 高一个数量级。然而，AlN 执行器表现出更多的线性响应、可忽略的滞后、低漏电流、双向调谐（即零偏置）以及与 CMOS 工艺的兼容性。这些特性在需要快速且可重复地转换输入信号的应用中非常受欢迎，例如 FMCW LiDAR [38,52]。另一方面，释放的执行器比未释放的设备具有更大的调谐范围，但代价是调谐带宽较窄。目前最有效的调谐是通过结合 PZT 和释放过程来实现的，如参考文献 [90] 所示。值得注意的是，由于 Si 波导具有更高的光弹系数和折射率，其调谐能力比 Si3N4 大几倍。然而，迄今为止展示的 Si 波导的传播损耗远高于 Si3N4。通过进一步优化制造工艺以抑制损耗，压电可调 Si 光子学可能成为可编程光子网络 [57,229,237] 和可重构光信号处理器的有前途的平台。
