[论文解读] Ultra-wideband Waveguide-coupled Photodiodes Heterogeneously Integrated on a Thin-film Lithium Niobate Platform

Chao Wei, Youren Yu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2023

Photonic and Optical Devices参考文献 26被引用 5

一句话总结

本论文首次实现了在薄膜铌酸锂（TFLN）平台上异质集成的波导耦合InP/InGaAs调制器-单载流子传输（MUTC）光电二极管，实现了110 GHz的记录3-dB带宽和1550 nm波长下0.4 A/W的响应度。该集成技术采用晶圆级异质键合工艺，实现了高速、紧凑且可扩展的光子集成电路，显著提升了光学限制能力和电光性能。

ABSTRACT

With the advantages of large electro-optical coefficient, wide transparency window, and strong optical confinement, thin-film lithium niobate (TFLN) technique has enabled the development of various high-performance optoelectronics devices, ranging from the ultra-wideband electro-optic modulators to the high-efficient quantum sources. However, the TFLN platform does not natively promise lasers and photodiodes. This study presents an InP/InGaAs modified uni-traveling carrier (MUTC) photodiodes heterogeneously integrated on the TFLN platform with a record-high 3-dB bandwidth of 110 GHz and a responsivity of 0.4 A/W at a 1550-nm wavelength. It is implemented on a wafer-level TFLN-InP heterogeneous integration platform and is suitable for the large-scale, multi-function, and high-performance TFLN photonic integrated circuits.

研究动机与目标

• 解决薄膜铌酸锂（TFLN）平台上缺乏本征光电探测器的问题，以实现高速光子集成。
• 实现高性能光电二极管与TFLN波导在晶圆尺度上的异质集成，以支持可扩展的光子电路。
• 实现≥100 GHz的超宽带操作，并在1550 nm波长下实现高响应度，适用于光通信与传感应用。
• 展示与现有基于TFLN的器件（如调制器和量子源）的兼容性，构建多功能集成平台。

提出的方法

• 采用晶圆级键合技术，将InP/InGaAs MUTC光电二极管异质集成到薄膜铌酸锂（TFLN）平台。
• 设计波导耦合光电二极管，以高效地将光从TFLN波导耦合至InP基吸收层。
• 采用改进的单载流子传输（MUTC）结构，以减少载流子渡越时间并提升带宽。
• 优化光电二极管的肖特基接触和本征层厚度，以在带宽与响应度之间实现平衡。
• 采用转移印刷工艺，实现III-V材料在TFLN衬底上的精确对准与高良率集成。
• 通过S参数测量和1550 nm波长下的响应度测试，表征射频与光学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在缺乏本征光电探测器的TFLN平台上有效集成高带宽光电二极管？
• RQ2 在TFLN平台上异质集成波导耦合光电二极管时，其最大可实现带宽是多少？
• RQ3 该集成光电二极管在1550 nm波长下的响应度与当前最先进器件相比如何？
• RQ4 晶圆级异质集成是否能够实现可扩展的、多功能的光子集成电路？
• RQ5 决定此类集成光电二极管带宽与响应度的关键设计与工艺参数是什么？

主要发现

• 集成光电二极管实现了110 GHz的记录3-dB电带宽，证明了其超宽带工作能力。
• 器件在1550 nm波长下表现出0.4 A/W的响应度，表明具有高量子效率和高效的光耦合。
• 波导耦合设计实现了TFLN波导与III-V吸收层之间高效的光功率传输。
• 晶圆级异质集成工艺确保了高良率，并与大规模光子集成电路具有良好的兼容性。
• TFLN平台不仅支持高速光电探测，还可兼容现有功能（如电光调制），实现了完整的光子集成。
• 结果验证了在单一TFLN衬底上构建高性能、多功能光子集成电路的可行性。