一、简介

薄膜铌酸锂（TFLN）集成电光（EO）电路在过去几年中推动了光学科学和技术的许多进步[ 1 ] 。最具影响力的 EO 设备——马赫-曾德调制器 (MZM)——使光通信、传感和计算领域的许多技术受益。1550 nm 处 TFLN MZM 的最先进品质因数包括半波电压长度积 (V π L) 和分别为 2.3 Vcm 和 3 dB/m 的光学损耗，以及超过 100 GHz 的 EO 带宽[ 1 ] 。TFLN 调制器的一个未解决的问题是速度慢（ < kHz）EO响应的弛豫。因此，采用了调制器的主动 EO 控制，或者采用基于热光的控制和偏置[ 2 , 3 ] 。然而，前者引入了额外的复杂性，而后者导致稳态功耗增加并且与低温操作不兼容。此外，在提高的光功率下，光折变效应会引入额外的弛豫动力学和不稳定性。 [ 1 ] 。

已知钽酸锂 (LT) 的 EO 弛豫速度比 LN 慢，但具有相当或更好的特性[ 4、5、6、7 ] ：30 pm/V EO 系数、3.93 eV 带隙、低得多的双折射、光折射、和射频损耗，以及更高的光学损伤阈值。最近，第一个基于 TFLT 的光学器件出现了：微盘[ 4 ] 、带状加载波导[ 5 ]以及干蚀刻微环[ 6 ]和 MZM [ 7 ] 。然而，除了利用低双折射的克尔梳[ 7 ]和最近测量光折射的尝试[ 6 ]之外，这些工作都没有表明在电光方面使用 TFLT 而不是 TFLN 的理由。

我们设计、制造并演示了工作波长为 1550 nm 的 TFLT EO MZM，与同等的 TFLN MZM 相比，具有卓越的直流稳定性。重要的是，这是在不牺牲其他器件品质因数（包括光损耗、射频带宽和驱动电压）的情况下实现的。我们还测量跑道谐振器，以进一步确认使用我们的制造工艺不会损害光学损耗。

二、制作

TFLT 器件在 500 nm 厚的 x 切绝缘体上 TFLT (NanoLN) 上制造。使用 maN-2405 抗蚀剂和 150 keV EBL 对波导进行图案化，然后使用 Ar + ICP 蚀刻 300 nm。使用高 pH 值清洁剂去除再沉积物。该器件在 O 2气氛中于 520°C 下退火 2 小时。用于直流漂移测量的 MZM 没有包层，用于比较 LT 和 LN。对于其他 MZM 测量，使用 PECVD 沉积 800 nm 厚的 SiO 2包覆层以改善 RF 光学重叠。通过使用 SPR700-1.0 抗蚀剂进行图案化、光刻并使用 C 3 F 8 、O 2和 Ar + ICP 蚀刻至 LT 来去除包层。电子束蒸发和剥离定义了电极（15 nm 厚的 Ti、800 nm 厚的 Au）和终端（20 nm 厚的 Ti、5 nm 厚的 Pt）。MZM 装置最后在 300°C 下用热板加热 5 小时。为了明确比较 TFLT MZM 与 TFLN，我们在 TFLN 中制造具有相同几何形状的 MZM。

三、结果

TFLT MZM 的光学图像如图1a所示。我们使用 2x2 路径长度平衡 MZM 来减轻温度和激光波长波动。独立的 7.5 毫米长 GSG DC 和 50 Ω - 端接 RF 电极避免了外部偏置 T 形接头，从而在 DC 和 RF 源之间提供出色的隔离，同时实现低 RF 插入损耗、平坦 RF 响应，并避免高 DC 偏置下的端接器损坏。MZM 横截面（图1b示意图）经过优化，可实现低光损耗以及强光场和 RF 场重叠。光通过光纤和光栅耦合器耦合进出 MZM，每个损耗为 7.9 dB。我们在近直流时测量了 3.4 Vcm 的低 V π L（图1c ），仅受我们当前器件几何形状的限制，包括间隙宽度、蚀刻深度等，这些可以在未来的工作中进行优化。值得注意的是，测得的消光比高达 39 dB。由于不对称定向耦合器 (53:47)，第二个端口的消光比较低，为 16 dB，并且使用显微镜观察到，电极未对准引起的损耗 (0.7 dB)。使用模拟来估计比率和电极引起的损耗。MZM 波导中的散射造成 0.13 dB 损耗，导致 MZM 的片上总损耗为 0.35 dB。这与从简单波导的比较测量中推断出的结果是一致的。

接下来，MZM 正交偏置，并使用 20 dBm 关闭（12.1 dBm 开启）芯片输入光功率在 46 小时内测量 EO 弛豫（图1d ）。我们发现 < 前两小时内激光强度变化为 1 dB，可能是由于电接触处的电荷迁移所致，在最后 44 小时内漂移稳定为 0.2 dB。另一方面，在相同条件下测量时，TFLN MZM 在整个时间范围内表现出 5 dB 激光强度变化。此外，文献中报道的 TFLN 的 EO 弛豫变化范围为 3 dB∼ 15 分钟[ 3 ]至 8 dB ∼ 30 分钟[ 2 ] ，两部作品中均未说明光焦度。光学组和 RF 相速度的匹配产生归一化的 MZM 电光转换效率（图1 e），并在 3 GHz 后平坦滚降到 50 GHz（受到我们的网络分析仪的限制）。3 GHz 之前的滚降是由于传输线电极 (39Ω ），可以通过使用较厚的底部氧化物优化器件几何形状来直接克服这个问题。RF背向反射是由于上述RF阻抗失配造成的。

为了展示我们的稳定直流偏置与路径长度平衡设计相结合的优势，我们将 MZM 偏置为正交，并使用不归零 (NRZ) 伪随机二进制序列 (PRBS) 以 5 GBaud 驱动它，超过70°C 温度范围（图1 f）。眼图是使用 5.1 dBm 片上光功率测量的。它们产生的误码率 (BER) 低于软分前向纠错 (SD-FEC) 所需的误码率，对应于信噪比 ∼ 3. 误差率随温度升高而降低，这是由于热膨胀引起的光纤与光栅耦合器的对准改善。低温下误差的增加是由于冷凝引起的不对中。通过包装可以降低错误。此外，在室温下，凭借 28 dBm 的高片上光功率，我们可以在高达 30 GBaud 的调制速率和 3.3 的信噪比下保持开放状态，但受到示波器带宽的限制（图1 e，插图） ）。光放大器的不稳定性导致无法准确测试该功率下的长期直流稳定性。

为了确定光波导损耗，我们测量了自由光谱范围为 185 pm 的无包层跑道谐振器。我们发现固有 Q 因子为 404 万，对应于 47.2 MHz 的 FWHM 线宽和 9 dB/m 的波导传播损耗（包括弯曲损耗）。这与 TFLT 中实现的最低损耗相当，但使用硬掩模转移[ 7 ]制造，并且在 LN (3 dB/m) 中实现的相同数量级内。为了验证薄膜质量，我们还测量了热光系数 d⁢n/d⁢T=2.47×10−5⁢K−1 ，考虑到我们的赛道几何形状，这确实符合批量 LT [ 8 ]的文献值。折射率 ne∼no∼2.12 1550 nm 处的波长由椭圆光度法独立测定。

四、结论

我们推出的高消光 TFLT MZM 与 TFLN 中的等效 MZM 相比，具有更高的直流稳定性，且不牺牲包括 RF 带宽、驱动电压和光学损耗在内的关键特性。表面附近的电荷动力学在纳米级器件的性能中发挥着重要作用，我们预计这些效应的优化可以改善 TFLT 电光性能，使其超出此处介绍的范围。