基于氮化硅与有机非线性聚合物混合集成技术的高速电光开关

《Optics & Laser Technology》：High-speed electro-optic switch based on hybrid integration of silicon nitride and organic nonlinear polymer

高速电光开关的硅基-有机聚合物混合波导结构设计及其性能验证。采用马赫-曾德尔干涉仪型结构，集成硅氮化物波导和具有高电光系数（185 pm/V）的有机非线性聚合物，在3毫米长度下实现8纳秒响应时间、16分贝消光比，半波电压乘积4.89伏·厘米。通过结合硅基平台的制造兼容性和光 confinement 能力，以及聚合物的高电光响应特性，解决了单一材料系统的性能瓶颈，为高速光通信和集成光子器件提供了新方案。

　　

Jingtao Yan|Zhangshuo Li|Senyu Wang|Jiachen Pang|Shuhui Bo

中国民族大学理学院光电子研究中心，北京 100081，中华人民共和国

摘要

由于具有较低的传播损耗和与互补金属-氧化物-半导体（CMOS）系统的良好兼容性，氮化硅（SiN）已成为光波导的核心材料。与此同时，有机电光聚合物具有高电光系数和超快响应速度等显著优势。为了解决单一材料系统的固有局限性，我们提出了一种基于混合波导结构的高速电光开关。设计、制造并系统地测试了一种集成氮化硅波导和有机非线性聚合物的马赫-曾德尔干涉仪型开关。该聚合物的电光系数约为185 pm/V。对于一个3毫米长的器件，在施加1 MHz的方波信号时，其消光比为16 dB，响应时间为8 ns。其测得的半波电压V_π为16.3 V，V_π·L为4.89 V·cm。这项工作利用了混合结构的协同优势，为高速光通信、光互连和集成光子学应用提供了实用的解决方案。

引言

随着对高速和大容量光通信系统的需求呈指数级增长[1]、[2]、[3]，电光（EO）开关在光网络中（如光交叉连接（OXC）、光添加-删除复用器（OADM）和光子集成电路（PIC）中作为核心组件发挥着至关重要的作用[4]、[5]、[6]。EO开关的性能直接影响光系统的传输效率和可靠性，因此开发高性能EO开关成为光子学研究的热点。

基于无机材料（如铌酸锂（LiNbO₃）[7]、[8]、[9]、[10]、钛酸钡（BaTiO₃）[12]和锆钛酸铅（PZT）[13]）的传统EO开关具有成熟的制造工艺，但存在电光系数低和驱动电压高的问题。基于硅的EO开关虽然具有与CMOS系统的兼容性，但在非线性光学性能方面面临挑战[14]、[15]。有机电光（OEO）聚合物因其高电光系数、快速响应速度和灵活的加工工艺而受到广泛关注[16]、[17]。然而，聚合物的低折射率导致光限制能力弱和传播损耗高，限制了它们的独立应用[18]、[19]、[20]。

氮化硅（SiN）作为一种有前途的光波导材料，具有适中的折射率、低传播损耗和优异的与CMOS系统的兼容性[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。将SiN波导与OEO聚合物混合集成将提供一种可行的方法来克服单一材料系统的局限性[26]、[27]、[28]、[29]。在这里，我们开发了一种基于SiN-OEO聚合物混合波导的高速马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型EO开关，对其进行了仿真、制造和测试以验证其实际性能。SiN-有机混合平台强调了制造的简便性、低光学损耗、可扩展性和成本效益，这些特性对于实用的大规模光子集成电路至关重要。仿真和实验结果证明了所提出的EO开关的优越性能，为光子器件的开发提供了新的见解。

设计及仿真

设计中的EO开关采用图1(a)所示的MZI结构。调制区域主要由共面电极和波导组成。输入光通过端面耦合进入波导进行传输，然后通过1 × 2分束器分成两束光，功率比为1:1。这两束光分别通过两个移相器，产生相位差。

制造与实验测试

SiN波导的制造过程如图3(a)所示。首先，清洁基底并通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在SiN层上沉积SiN层，然后通过紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀将掩模上的MZI波导图案转移到SiN层上。随后，使用剥离工艺制造共面铝电极。最后，制备含有

结论

在这项工作中，我们设计、仿真并制造了一种基于SiN波导和JRD1/PMMA聚合物复合材料混合集成的高速MZI型EO开关。JRD1/PMMA复合材料具有高电光系数和超快响应速度，而SiN波导提供了高效的光限制能力。SiN光子平台与聚合物的独特结合相比上述方法具有显著优势，包括制造简便性、低损耗和成本效益。

作者贡献声明

Jingtao Yan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿构思。Zhangshuo Li：数据整理。Senyu Wang：形式分析。Jiachen Pang：研究调查，形式分析。Shuhui Bo：资源准备，方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。