铌酸锂薄膜平台上的超宽带异质集成光电二极管

(a)，器件示意图；(b)，TFLN 异构集成相干收发器芯片示意图；(c)、(d)，器件经 n-mesa 和 p-mesa 刻蚀后的显微镜图像；器件的显微镜图像（e）和扫描电子显微镜图像（f）。通讯作者：魏超、于友仁、王紫云、蒋林、曾忠明、叶嘉、邹锡华、潘伟、谢小军和严连山

铌酸锂（LN）具有较强的电光系数和较宽的透明窗口，因此已成为一种极具吸引力的光子材料。薄膜铌酸锂（TFLN）技术实现了严格的模式约束和高非线性效率。

在 TFLN 平台上已经实现了各种紧凑型集成光子器件，如紧凑型高性能调制器、偏振管理器件和宽带梳状频率源。然而，铌酸锂在实现光源和光电探测器方面的固有困难给 TFLN 集成光子学平台带来了挑战。作为重要的光电元件，片上集成高性能光电探测器对于 TFLN 光子集成芯片至关重要。

在发表于《Light： 先进制造》（Light: Advanced Manufacturing）上发表的一篇新论文中，由西南交通大学信息科学与技术学院光电集成与通信传感融合重点实验室谢小军教授和严连山领导的研究团队报告了一种在 TFLN 平台上异质集成的高速、高响应性改进型单向载流子光电二极管。该器件的 3-dB 带宽为 110 GHz，在波长为 1,550 nm 时的响应率为 0.4 A/W。

制造过程的初始阶段是对 LN 波导和无源器件进行干法蚀刻。然后采用混合蚀刻法形成器件介子。金属电镀和脱模后，芯片被切割和抛光。对外延层结构、LN 波导几何形状和 CPW 焊盘几何形状进行了优化，以实现大带宽和高响应率。

(a) 带有预定义波导和无源元件的 TFLN 晶圆，(b) 裸 InP/InGaAs 晶圆，(c) InP/InGaAs 晶圆和 TFLN 晶圆键合，(d) InP/InGaAs 晶圆基底移除，(e) N 介层干法刻蚀，(f) P 介层干法刻蚀，(g) 用于 CPW 焊盘的 SU-8 基底，以及 (h) 金属电镀和脱模。作者：魏超、于友仁、王紫云、蒋林、曾忠明、叶佳、邹锡华、潘伟、谢小军和严连山

(a) 不同长度器件的测量（蓝色圆圈）和模拟（黑色虚线）响应率。(b) 传输时间限制带宽（蓝色实线）、RC 限制带宽（红色实线）、总带宽（黑色虚线）以及具有不同有效区域的器件的测量带宽（黑色圆圈）。(c) 32 Gbaud PAM4 信号的测量误码率 (BER) 与接收光功率的关系。(d) 10、20 和 32 Gbaud PAM4 信号的眼图和测量波形。作者：魏超、于友仁、王紫云、蒋林、曾忠明、叶佳、邹锡华、潘伟、谢小军和严连山

为了进一步评估这些器件的性能，研究小组将这些器件应用于一个数据传输系统，并成功地高质量检测到 32 Gbaud 的 PAM4 信号。结果表明，TFLN 平台上的异质集成光电二极管有望应用于下一代高速传输系统。

这项工作为实现大规模、多功能和高性能 TFLN 光子集成电路铺平了道路。此外，它还为超高速光通信、高性能集成微波光子学和多功能集成量子光子学带来了希望。

参考资料

Chao Wei et al, Ultra-wideband Waveguide-coupled Photodiodes Heterogeneously Integrated on a Thin-film Lithium Niobate Platform, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.030