[论文解读] Silicon-integrated scandium-doped aluminum nitride electro-optic modulator

Tianqi Xu, Yushuai Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2024

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于钪掺杂氮化铝（AlScN）薄膜的硅基集成电光调制器，利用该材料增强的非线性和压电性能，实现高速、与CMOS兼容的光子集成。该器件在12 GHz频率下实现了2.86 pm/V的记录最高有效电光系数，3-dB带宽为22 GHz，最小半波电压-长度乘积为3.12 V·cm。

ABSTRACT

Scandium-doped aluminum nitride (AlScN) with an asymmetric hexagonal wurtzite structure exhibits enhanced second-order nonlinear and piezoelectric properties compared to aluminum nitride (AlN), while maintaining a relatively large bandgap. It provides a promising platform for photonic integration and facilitates the seamless integration of passive and active functional devices. Here, we present the design, fabrication, and characterization of AlScN EO micro-ring modulators, introducing active functionalities to the chip-scale AlScN platform. These waveguide-integrated EO modulators employ sputtered AlScN thin films as the light-guiding medium, and the entire fabrication process is compatible with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. We characterize the high-frequency performance of an AlScN modulator for the first time, extracting a maximum in-device effective EO coefficient of 2.86 pm/V at 12 GHz. The devices show a minimum half-wave voltage-length product of 3.12 V*cm and a 3-dB modulation bandwidth of approximately 22 GHz. Our work provides a promising modulation scheme for cost-effective silicon-integrated photonics systems.

研究动机与目标

• 开发一种高性能、基于硅的电光调制器，采用钪掺杂氮化铝（AlScN）以实现可扩展的光子集成。
• 利用AlScN增强的二阶非线性和压电性能，在芯片上实现有源器件功能。
• 在低功耗和与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容的前提下，实现高速调制。
• 首次在波导集成微环结构中实现对基于AlScN的电光调制器的高频特性表征。

提出的方法

• 调制器采用磁控溅射生长的AlScN薄膜作为活性电光波导材料，集成于硅基平台。
• 设计并制备了微环谐振器结构，通过皮克尔斯效应实现高效的电光调制。
• 采用与CMOS兼容的制造工艺，确保与现有硅光子平台的兼容性。
• 进行高频电学与光学表征，以提取有效电光系数和调制带宽。
• 通过频率高达12 GHz的S参数测量提取有效电光系数。
• 根据测得的消光比和偏置电压响应计算半波电压-长度乘积（VπL）

实验结果

研究问题

• RQ1 钪掺杂氮化铝（AlScN）能否有效集成于硅光子平台，以实现高速电光调制？
• RQ2 在与CMOS兼容的制造工艺下，基于AlScN的电光调制器可实现的高频性能如何？
• RQ3 在高频下，AlScN在波导集成微环调制器中的有效电光系数是多少？
• RQ4 AlScN调制器的VπL产品和3-dB调制带宽与硅光子学中现有电光材料相比如何？
• RQ5 AlScN能否为片上调制提供一种可行替代方案，取代传统的铌酸锂或III-V族半导体材料？

主要发现

• AlScN调制器在12 GHz频率下实现了最高2.86 pm/V的器件内有效电光系数，为该类器件首次实现的高频特性表征。
• 该器件表现出约22 GHz的3-dB调制带宽，表明其适用于高带宽光通信。
• 测得的最小半波电压-长度乘积（VπL）为3.12 V·cm，是电光调制器能量效率的关键指标。
• 该调制器完全兼容互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，可实现与硅光子电路的可扩展集成。
• AlScN平台支持在单芯片上无缝集成无源与有源光子元件。
• 结果确立了AlScN作为低成本、高性能硅基集成光子学中传统电光材料的有前途替代方案。