光调制器技术的进步推动了各个领域的发现和进步。原子量子系统（包括冷原子、离子和固态色心）的大规模相干光学控制问题是最严格的要求之一。这推动了新一代高速大规模调制器技术的出现，该技术具有以下要求：（R1）在可见光（VIS）至近红外（NIR）光谱中的选定设计波长下操作，（R2）具有高通道密度（> 100 mm−2）的可扩展技术，（R3）高调制速度（> 100 MHz），以及（R4）高消光比（> 20 dB）。为了满足这些要求，我们引入了一种基于压电驱动氮化硅谐振波导光栅的调制器技术，该光栅采用 CMOS 兼容工艺在直径 200 mm 的硅晶片上制造。我们提出了一个概念验证设备，该设备具有 4 × 4 个可单独寻址的50 µm × 50 µm 像素或通道，每个像素或通道包含一个谐振波导光栅，其设计波长为 ∼ 780 nm，支持 > 100 MHz 的调制速度，以及 > 20 dB消光的光谱响应。
能够高速控制多种光学模式的设备正在彻底改变许多科学技术领域，包括激光测距 [1]、量子信息处理 [2]、成像 [3, 4]、光遗传学 [5]、人工智能 [6, 7] 以及增强现实和虚拟现实 (AR/VR) [8, 9]。特别是，多模和/或高速光调制器的出现对过去几年原子基量子技术的快速发展起到了重要作用[2, 10–13]。这推动了满足要求 (R1)-(R4) 的新型调制器技术的开发，以继续推动进步。固体中原子或类原子发射体中的许多光学跃迁位于可见光 (VIS) 至近红外 (NIR) 波长范围内，因此要求 (R1)。VIS 至 NIR 波长操作对于生物成像 [14, 15]、光遗传学 [5] 和 AR/VR [8] 也至关重要。要求 (R2) 是一种具有高通道密度的可扩展技术，源于需要单独控制数百到数千个原子以释放量子技术的全部潜力。高调制速度 (R3) 和高消光比 (R4) 需要在短时间内以高保真度光学控制原子或原子状发射器的状态（与状态的寿命相比）[13]。高消光和高通道密度光学控制技术作为超快空间光调制器，对已经依赖调制速率慢数千到数百万倍的设备的各个研究领域也具有直接的好处。表 I 从要求 (R1)-(R4) 方面比较了最先进的多通道光调制器技术。现有技术均无法满足所有要求。基于微机电系统 (MEMS) [18, 19, 22] 和液晶 [16, 17] 的 VIS 至 NIR 范围内工作的空间光调制器 (SLM) 已实现商用，但其调制率有限。在红外波长范围内，已基于石墨烯的电门控 [23, 24]、有机电光分子 [20, 25, 26] 和介电薄膜 [27] 中的普克尔斯效应、III-V 半导体量子阱材料中的量子限制斯塔克效应 [28, 29] 以及氧化铟锡 (ITO) [30] 和硅 [21, 31] 中的电荷载流子效应，探索了调制率 > 1 MHz 的替代 SLM 技术。与这些快速效应相关的折射率变化往往很小，因此需要较长的相互作用长度来实现具有高调制效率的设备。因此，为了创建紧凑的自由空间耦合设备，人们通常依赖于光学谐振结构，例如超表面 [23、24、26、29、30]、法布里-珀罗腔 [28]、谐振波导光栅 [20、25、31] 或光子晶体腔 [21]。
划重点
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，等离子刻蚀和划片，激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
请联系小编免费获取原文
制造方法
我们的设备由氮化硅 (SiN) 光波导层、氮化铝基 (AlN) 压电驱动层组成，中间有二氧化硅光缓冲层 [33–35]。这些设备是在桑迪亚国家实验室使用深紫外 (UV) 光学光刻技术在直径 200 毫米的硅晶片上制造的。低温、CMOS 兼容工艺用于薄膜沉积，即等离子增强化学气相沉积 (PECVD；用于非晶硅、SiN 和氧化物沉积) 和物理气相沉积 (PVD；用于 AlN 和金属沉积)。
堆栈中有三层金属层可实现设备驱动。从下到上，它们是：布线层，我们用它来将每个像素连接到焊盘，底部电极层和顶部电极层。在两个电极层之间有 AlN 层；它们一起构成了压电驱动层。
底部电极层与布线层之间由二氧化硅缓冲层隔开。三个金属层通过通孔连接。在整个工艺流程中，化学机械抛光 (CMP) 用于平坦化。在底部电极层和布线层之间还有一个图案化非晶硅层，以便对器件进行底切。在处理完整个器件堆栈后，XeF2 气体中的释放蚀刻会去除非晶硅以创建底切器件。XeF2 气体可以通过深蚀刻沟槽到达非晶硅层。
封装
我们将晶圆切成芯片，然后将它们引线键合到印刷电路板上（图 1d）。具有 4 × 4 像素的器件有 17 个键合焊盘，1 个焊盘用于共享接地，16 个焊盘用于施加到每个像素的信号。我们的每个 PCB 包含 16 个运算放大器 (OPAMP；德州仪器 THS3491)，可单独处理 16 个像素。OPAMP 提供 5 倍的电压增益，带宽为 900 MHz，电源电压为 ±16 V。联动微尺度 RF 插头 (Samtec) 将 PCB 连接到信号发生器。
模拟
我们使用 Ansys Lumerical 的 2D FDTD 求解器进行光学模拟。我们对两个正交极化进行模拟。之后，我们使用传输矩阵乘法来实现分束器和波片，以及两个极化的模拟。我们的模拟考虑了激发和收集光束的高斯形状。为了直接将模拟与测量进行比较，我们实施了相同的归一化方法。我们进行了一个没有光栅结构的模拟，以模拟铝层反射的影响，铝层上有二氧化硅和 SiN 层（Eref）。由此产生的模拟能够捕获整个测量设置，从而准确预测结果。
背景
光调制器技术的进步推动了各个领域的发现和进步。原子量子系统（包括冷原子、离子和固态色心）的大规模相干光学控制问题是最严格的要求之一。这推动了新一代高速大规模调制器技术的出现，该技术具有以下要求：（R1）在可见光（VIS）至近红外（NIR）光谱中的选定设计波长下操作，（R2）具有高通道密度（> 100 mm−2）的可扩展技术，（R3）高调制速度（> 100 MHz），以及（R4）高消光比（> 20 dB）。为了满足这些要求，我们引入了一种基于压电驱动氮化硅谐振波导光栅的调制器技术，该光栅采用 CMOS 兼容工艺在直径 200 mm 的硅晶片上制造。我们提出了一个概念验证设备，该设备具有 4 × 4 个可单独寻址的50 µm × 50 µm 像素或通道，每个像素或通道包含一个谐振波导光栅，其设计波长为 ∼ 780 nm，支持 > 100 MHz 的调制速度，以及 > 20 dB消光的光谱响应。
能够高速控制多种光学模式的设备正在彻底改变许多科学技术领域，包括激光测距 [1]、量子信息处理 [2]、成像 [3, 4]、光遗传学 [5]、人工智能 [6, 7] 以及增强现实和虚拟现实 (AR/VR) [8, 9]。特别是，多模和/或高速光调制器的出现对过去几年原子基量子技术的快速发展起到了重要作用[2, 10–13]。这推动了满足要求 (R1)-(R4) 的新型调制器技术的开发，以继续推动进步。固体中原子或类原子发射体中的许多光学跃迁位于可见光 (VIS) 至近红外 (NIR) 波长范围内，因此要求 (R1)。VIS 至 NIR 波长操作对于生物成像 [14, 15]、光遗传学 [5] 和 AR/VR [8] 也至关重要。要求 (R2) 是一种具有高通道密度的可扩展技术，源于需要单独控制数百到数千个原子以释放量子技术的全部潜力。高调制速度 (R3) 和高消光比 (R4) 需要在短时间内以高保真度光学控制原子或原子状发射器的状态（与状态的寿命相比）[13]。高消光和高通道密度光学控制技术作为超快空间光调制器，对已经依赖调制速率慢数千到数百万倍的设备的各个研究领域也具有直接的好处。表 I 从要求 (R1)-(R4) 方面比较了最先进的多通道光调制器技术。现有技术均无法满足所有要求。基于微机电系统 (MEMS) [18, 19, 22] 和液晶 [16, 17] 的 VIS 至 NIR 范围内工作的空间光调制器 (SLM) 已实现商用，但其调制率有限。在红外波长范围内，已基于石墨烯的电门控 [23, 24]、有机电光分子 [20, 25, 26] 和介电薄膜 [27] 中的普克尔斯效应、III-V 半导体量子阱材料中的量子限制斯塔克效应 [28, 29] 以及氧化铟锡 (ITO) [30] 和硅 [21, 31] 中的电荷载流子效应，探索了调制率 > 1 MHz 的替代 SLM 技术。与这些快速效应相关的折射率变化往往很小，因此需要较长的相互作用长度来实现具有高调制效率的设备。因此，为了创建紧凑的自由空间耦合设备，人们通常依赖于光学谐振结构，例如超表面 [23、24、26、29、30]、法布里-珀罗腔 [28]、谐振波导光栅 [20、25、31] 或光子晶体腔 [21]。
表 I. 多通道光调制器技术在要求 (R1)-(R4) 方面的比较。
a MEMS 设备
b 带有 AlN 压电执行器的 SiN PIC
图 1. 概念和设备图像。a、b，基于压电驱动 SiN 谐振波导光栅的空间光调制器 (SLM) 技术的概念图。压电致动器基于 AlN 薄膜。c，设备操作原理。施加电压会改变反射光谱。d，带有 4 × 4 SLM 导线的芯片与印刷电路板接合。
有关封装详细信息，请参阅方法。e，4 × 4 SLM 的显微镜图像，像素间距为 50 µm，像素之间有 1 µm 宽的沟槽。f，扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示被沟槽包围的光栅。
为了满足要求 (R1)-(R4)，我们引入了基于压电驱动氮化硅 (SiN) 谐振波导光栅的 SLM 技术（图 1）。压电致动器在光栅中引起应变，导致谐振波长发生偏移，从而实现自由空间耦合调制器。该技术不仅能够实现具有 O(MHz) 至 O(GHz) 调制速率的 SLM，而且还可以在 VIS 至 NIR 波长范围内运行。此外，我们的设备是在直径为 200 毫米的硅晶片上制造的，使用深紫外 (UV) 光学光刻和 CMOS 兼容（互补金属氧化物半导体兼容）、低温工艺（有关制造细节，请参阅方法）。因此，我们可以直接在电子设备顶部制造压电致动器和谐振波导光栅来驱动设备 [32] 或在（多个）金属层上制造以实现大规模电气互连。这些集成方案有利于大规模 SLM 的商业化生产。
我们的工作建立在桑迪亚国家实验室开发的平台之上，该平台由氮化铝基 (AlN) 压电驱动层顶部的 SiN 光波导层组成 [33]。虽然之前在该平台上开展的工作主要集中在光子集成电路 [13, 33–35]，但在这里，我们展示了密集排列的自由空间耦合调制器，这些调制器排列在 4 × 4 网格中，填充因子高达 ∼ 96%，作为可扩展 SLM 技术的概念验证（图 1）。为了提高我们设备的调制效率，我们不仅利用了光学谐振设备，即谐振波导光栅 [36]，还利用了像素的机械谐振，这大大增强了压电感应位移 [37]。
I. 结果
设计
我们设计的 SiN 谐振波导光栅的工作波长为 ∼ 780 nm (R1)，间距 Λ 为 0.490 µm，SiN 厚度为 0.3 µm。图 2a 中，我们光栅的模拟反射光谱 R(dB) =10 × log10|Eout(λ)|2|Eref (λ)|2显示在波长为 ∼ 800 nm，相对于 ∼ 770 nm 处的反射，消光比 > 50 dB(R4)。我们在交叉偏振光设置中测试我们的设备，如图 4e 所示（有关详细信息，请参阅补充信息）。我们对反射光谱的模拟捕捉了交叉偏振测试方法（有关更多信息，请参阅方法）。反射光谱的急剧下降是由于 TE 和 TM 偏振反射光之间的相位差从 0 移到 π，而 TE 和 TM 场的反射幅度保持相似（图 2c），其中 TE 偏振光对应于与光栅线平行的电场（图 4e）。当从光栅反射回来的 TE 和 TM 偏振光波相位相同且振幅相等时，反射光在偏振分束器之前以 0° 偏振，没有光反射到检测器。相位差为 π 时，所有光都会被反射。值得注意的是，控制这种效应的有效干涉仪包含在设备厚度的 ∼ 1 µm 内，不需要长路径长度稳定。
光栅间距的减小使反射光谱中凹陷的波长发生蓝移（图 2b）。间距为 492 nm 时，最大消光比 > 60 dB。
不同间距下消光比的降低是由于 TE 和 TM 反射振幅之间的比率远离相位差为 0 的 1。
图 2. 光学器件设计。a、模拟反射光谱与测量光谱的比较，其中 R(dB) =10 × log10|Eout(λ)|2|Eref (λ)|2。b、光栅间距 Λ 对反射光谱的影响。这些模拟均针对 63% 的占空比。c、TE 和 TM 偏振反射波之间的模拟振幅比和相位差。点表示存在 0 和 −π 相位差的波长，对应于 a 中的最小值和最大值。d、不同光栅尺寸 L 的反射光谱模拟。1/e 场全宽保持在光栅尺寸的 45%。（图 1e），模拟表明，我们可以将尺寸减小到 ∼ 20 µm，而不会显著改变消光比和反射光谱的整体形状（图 2d），从而实现更高的通道密度（R2）。图 3 显示了该设备的机械性能。
执行底切后，长度为 L 的像素由下方尺寸为 l 的支柱支撑，该支柱还包含通向电极的通孔。SEM 切片显示了像素的横截面，图 3b。在 COM SOL 中对此类像素的机械性能进行的模拟显示了对称模式，其特征频率接近实验中测得的频率（图 4b）。图 3d 显示了模式的特征频率如何根据像素尺寸 L 和支柱尺寸 l 而变化。使用这个可以设计光栅以在所需频率下增强功能。
特性
图 4a 和 2a 显示了光栅的测量反射光谱及其与模拟的一致性，测量的消光比 > 20 dB (R4)。我们通过将激光从像素反射并在连接到电
谱分析仪 (ESA) 的快速光电二极管 (图 4e) 上检测反射光 (具有电场 Eout) 来测量封装设备的调制幅度 A 和速度。当将交流电压施加到发光像素时，ESA 上会出现一个峰值，其频率为 f，这与我们的压电电驱动设备预期的一样。这个峰值的高度，即调制幅度 A，取决于激光波长。图 4a 将反射光谱与调制幅度重叠，作为波长 λ 的函数。调制幅度的峰值出现在反射光谱中斜率最陡的地方 (∼ 791 nm)。图 4b 比较了两种不同类型的器件（释放和未释放）的调制幅度和速度。
释放的器件被切割并固定在基板上，像素中间有一个 10 µm 宽的二氧化硅柱（有关制造细节，请参阅方法，有关器件横截面的 SEM 图像，请参阅补充信息）。未释放的器件没有切割。
释放的目的是使器件在机械上更顺从，从而在相同水平的诱导应变下降低驱动电压。此外，释放的器件具有高品质因数机械共振。
共振增强进一步降低了所需的驱动电压。图 4b 显示了释放和未释放光栅的反射光谱波长偏移 ∆λr/∆V 与施加的交流频率 f 的关系。我们
图 4. 设备特性。a、光栅的反射光谱（蓝色）与调制幅度 A 重叠，后者是波长的函数（橙色），在未释放的设备上以 20 MHz 的固定交流频率 f 测量，峰间电压为 10 V。b、已释放和未释放设备的波长偏移 ∆λr/∆V 与交流频率 f。我们使用了 3 dB 带宽为 DC-400 MHz 的探测器（用于已释放设备）和 5-1000 MHz 的探测器（用于未释放设备）。插图显示了谐振频率 fr ∼ 5 MHz 的模拟机械模式。c、测量 5 MHz 左右强谐振的机械谐振频率 fr 以及每个像素的相关增强因子 k。16 个像素中有 13 个在此设备中运行。d、已释放设备在 ∼ 5 MHz 的机械模式的振铃测量。对于此测量，我们首先在谐振时施加交流频率，然后将其关闭并观察交流耦合光电二极管信号 PAC 如何随时间衰减
根据测量的调制幅度和反射光谱的斜率计算波长偏移。图 4b 中的众多波峰和波谷归因于机械共振 [38, 39]。与未发布的设备相比，已发布的设备的柔顺性更高，导致低频波长偏移量大一个数量级以上。
这也导致在较低频率下出现机械共振。有限元分析证实了机械共振的存在，并确定了已发布的设备在 fr ≈ 5 MHz 处的机械模式（图 4b 中的插图）。fr ≈ 5 MHz 处的共振产生较大的波长偏移 4 × 102 pm V−1，与低频偏移相比，这相当于增强了因子 k = (∆ (∆ λ λr/∆V)fr r/∆V)DC ≈ 50。频率达到 ∼ 100 MHz 时，数据显示波长偏移大于已发布设备 (R3) 的低频响应。未发布设备的刚性特性将谐振移至更高频率。频率达到 ∼ 700 MHz 时，波长偏移与低频响应相当。频率响应测量受光电探测器带宽（已发布设备为 DC-400 MHz，未发布设备测量为 5-1000 MHz）和印刷电路板上电压放大器的 900 MHz 带宽限制（参见方法）。
图 4d 显示了释放设备在 ∼ 5 MHz 处机械模式的振铃测量结果。拟合数据可得出振铃时间 τ 为 3.1 µs。这对应于机械 Q 因子 Qm =ωm2τ = 52（ωm = 2π × 5.3 MHz）[40]。这与频率响应测量中观察到的增强因子 ∼ 50 非常吻合，这与谐振子的预期值一致。像素间的变化会导致共振频率和增强因子的差异。对于我们的 4 × 4 设备中的像素，我们确定了 5 MHz 左右强共振的机械共振频率 fr 和相关的增强因子 k（图 4c）。平均共振频率为 5.7 MHz（标准偏差为 0.9 MHz），平均增强因子为 32（标准偏差为 13）。已建立的后制造微调技术可用于调整共振 [41, 42]。
II. 讨论
未来的主要挑战之一是降低实现高消光比调制所需的电压。我们看到了实现这一目标的几种方法。首先，我们可以使用具有增强响应的压电材料。例如，氮化铝钪的压电响应比 AlN 高出 5 倍 [43]。其次，我们可以使用其他紧凑的光学谐振结构来代替共振波导光栅，这些结构具有更窄的光线宽。具有高品质因数和小模式体积的垂直耦合光子晶体腔是一个有希望的候选者。这些已经在硅中得到证实，线宽 < 10 pm，波长为 1.6 µm [21]。已报道了在 760 nm 处线宽低至 0.1 nm 的氮化硅光子晶体腔 [44]，尽管它们不是垂直耦合的。
我们看到这项 SLM 技术有许多潜在的应用。根据目标应用，我们可以用不同的方式配置我们的调制器技术。例如，以强机械共振驱动调制器会在入射激光中产生强边带（边带可以与原子跃迁共振）。我们可以使用不同的机械共振来产生不同频率的边带，或者设计像素来改变机械共振，例如通过改变光栅尺寸或底切深度。激光修整 [21, 41] 或聚焦离子束铣削 [42] 可以在制造后改变共振频率。通过以特定的机械共振频率驱动每个像素，可以生成可预测的随时间变化甚至周期性重复的光图案 [38]，从而实现具有特定相位的低压驱动。生成的图案将取决于所选的频率和相位。这在原子控制、显示技术和激光测距方面都有应用。
我们的调制器技术甚至可以通过使用信号均衡技术来补偿非平坦频率响应，从而生成需要全设备带宽（即不仅在共振频率下驱动）的任意波形[39]。
总之，我们提出了一种可扩展的高通道密度、高速调制器技术，可在可见光到近红外光谱范围内运行。这项技术有可能推动科学和技术各个领域的进步，包括原子量子系统的大规模相干光控制。
