本文由论文作者团队投稿
近日，东南大学王俊嘉教授、西安交通大学董国华教授团队提出了一种高质量硅基异质集成钛酸钡调制器，实现了低损耗的电光调制。所提出的在硅上异质集成钛酸钡(BaTiO3, BTO)的电光调制器具有较高的调制效率，VπL值低至1.67 V·cm，从而有助于紧凑型电光调制器的实现。BTO与绝缘层上硅(Silicon-on-Insulator, SOI)波导的异质集成有望为高速、高效电光调制器的发展铺平道路。
该成果以“Towards High Quality Transferred Barium Titanate Ferroelectric Hybrid Integrated Modulator on Silicon”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。东南大学为第一完成单位，王俊嘉教授和董国华教授为论文通信作者。
未来的光通信和信号处理系统将需要大容量的光链路，其中光子集成器件发挥着关键作用。硅光子学是目前开发紧凑型低成本光子集成电路的领先技术，硅波导的高折射率提供了强的光学限制，这有助于将光子集成电路的尺寸减小到亚微米范围。然而，尽管SOI波导具有巨大的潜力，但由于硅的对称晶体结构而缺乏线性电光调制效应，导致SOI波导中光调制的基本限制仍然存在。目前，研究人员已经提出了许多方法来克服这些限制，最常用的方法为利用其他材料中的普克尔斯(Pockels)效应，以实现优异的电光调制性能且没有过多的损耗。
相比之下，BTO在各种铁电氧化物中以其高Pockels系数而闻名，近年来在电光调制研究中引起了研究者的青睐。该工作中，BTO膜位于经化学机械抛光处理的硅波导的顶部。硅波导上二氧化硅厚度仅为5 nm，便于BTO更高效的调控。研究团队仿真优化得到BTO层的厚度为150nm以确保高质量的外延BTO膜和较强的Pockels效应。
图1：硅基波导调制器上BTO的截面图
研究团队利用脉冲激光沉积技术在钛酸锶(SrTiO3, STO)层上制备了BTO/Sr3Al2O6(SAO)异质结。在转移过程中，将正性光刻胶(AZ5214)旋涂到BTO/SAO/STO(100)的表面上作为支撑层，并在115℃下加热样品25分钟以干燥光刻胶层。然后将样品浸入去离子水中24小时去除SAO层，从而将光刻胶/BTO膜转移到目标SOI衬底上。与其他方法相比，该方法能够精确控制样品与基底之间的旋转角度。接着用无水丙酮完全去除光刻胶。最后，使用电子束曝光/沉积形成Ti/Au的金属接触，使其对称位于BTO层上硅波导的两侧以形成电场。
图2：a-c单晶BTO剥离和从STO到SOI衬底的转移过程示意图；d电极/BTO/SOI异质结构的横截面透射电子显微镜（TEM）图像；e Ba元素的EDS元素绘图；f BTO层的原子分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)图像
该工作将BTO薄膜转移在硅基波导马赫增德干涉结构上。在两个电极间施加电压形成电场，BTO层被极化提高了BTO晶体的有效Pockels系数，以实现BTO层有效折射率相对的变化。研究团队通过测量器件在不同偏压下马赫增德谐振的传输曲线，得到了BTO的调制效率。在通信波段内测试了器件的电光响应，在不同电压下，电场影响薄膜的折射率进而调制光的相位，测得调制效率VπL值低至1.67 V·cm。
图3：SOI平台上的BTO铁电异质集成调制器。a器件示意图；b波导处的光学显微图；c不同电压下测得的透射光谱；d相位变化与电压的关系，红色虚线是曲线的切线
本文使用微转印方法将BTO膜转移到硅基波导马赫增德干涉结构上用于电光调制。这种转移方法简化了制备工艺，并在SOI平台上得到高质量BTO薄膜。所制备器件具有较高的调制效率，VπL值低至1.67 V·cm，证实了BTO薄膜的优异电光性能及其与CMOS工艺的兼容性，从而有助于实现紧凑型电光调制器。BTO与SOI波导的异质集成拓宽了硅光子器件库，为高速、高效电光调制器的发展铺平了道路。
论文信息
Mengxue Tao, Butong Zhang, Tianxiang Zhao, Xiaoxuan Wu, Ming Liu, Guohua Dong and Junjia Wang. Towards high quality transferred barium titanate ferroelectric hybrid integrated modulator on silicon [J]. Light: Advanced Manufacturing, 2024, 5: 31.
编辑：郭巳秋、赵阳
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