用于高速通信的异质集成氧化铽酸锂-氮化硅调制器

微小芯片上的更快互联网

流媒体、云计算和人工智能都依赖于通过光纤传输惊人的信息量。但将电子比特转换为光脉冲的微观器件正面临性能瓶颈。这项工作引入了一种新型芯片级“光开关”，将两种不同材料——氧化铽酸锂和氮化硅——结合起来，将数据速率推动到数百吉比特每秒，同时保持低损耗并可扩展制造。

为什么需要新的光开关

现代通信网络依赖光子集成电路，这些微小的光学“主板”用光而非电来引导信号。氮化硅是这类电路的明星材料，因为它允许光在芯片上长距离传播且损耗很小，并能承受高光功率。然而，氮化硅本身有一个缺点：它无法在施加电信号时高效地改变光的强度或相位，而这是编码数据所必需的功能。为了解决这一问题，研究人员转向具有铁电特性的晶体如氧化铽酸锂，该材料通过被称为Pockels效应的现象几乎瞬间响应电场，从而实现超快的光调制。

构建混合光子平台

团队开发了一种晶圆级工艺，将超薄的氧化铽酸锂薄膜直接键合到预制的氮化硅波导上。他们首先使用所谓的达马森（Damascene）工艺制造低损耗的氮化硅电路，该工艺产出表面平滑、光约束强的波导。另一步是制备氧化铽酸锂绝缘体上的晶圆。经过仔细的表面清洁和活化后，将两片晶圆接触，使分子力将它们键合，随后通过加热处理加强连接。然后移除位于氧化铽酸锂下方的硅支撑层，露出一层精确对准在氮化硅波导上的薄铁电层，而无需粗暴刻蚀，这样可以避免损伤材料或增加电学损耗。

将电信号转换为超高速光信号

在这个混合平台上，研究人员刻画金属电极以构建马赫–曾德尔（Mach–Zehnder）调制器和更复杂的同相/正交（IQ）调制器。在这些器件中，来自激光的光通过一对路径传播，其干涉由施加在氧化铽酸锂层上的微小电压变化控制。调制器实现的电压-长度积约为4 V·cm，这意味着只需几毫米的器件长度和适度的驱动电压即可产生强烈的调制效果。它们的响应在约100 GHz附近仍保持平坦，表明能够忠实跟踪极快的电变化。重要的是，混合波导维持了低光学损耗——约14 dB/米——且器件在恒定偏置下表现出稳定运行，小时级漂移很小，这曾是早期某些铁电调制器的难题。

将数据速率推向新高度

为了测试这些调制器在真实通信环境中的表现，团队通过光纤传输了先进的光信号。使用单个强度调制器并以四级脉冲幅度信号驱动，他们在考虑实际纠错码后达到了净数据速率高达333 Gbps。使用IQ调制器（可同时控制光的强度和相位、并是远程相干系统的标准配置），他们发送了更复杂的16阶正交振幅调制信号。这些实验实现了高达704 Gbps的线速率和最高581 Gbps的净数据速率——这些数字与许多现有集成平台相当或超越，同时仍然基于低损耗的氮化硅基础。

这对未来网络意味着什么

通过将氮化硅光子电路的低损耗和成熟制造与薄膜氧化铽酸锂的超快电光响应结合，本工作为更快、更高效的光链路提供了实际路径。混合器件可在整片晶圆上高产率制造，使其具有大规模部署的吸引力。除了加速互联网主干网和数据中心外，同一平台还可用于紧凑的微波到光转换器、精密激光系统和下一代激光雷达传感器。简而言之，这项研究展示了经过精心设计的材料叠层如何将被动的导光芯片转变为面向信息时代的主动高速引擎。

引用: Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun 17, 3314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69769-3

关键词: 光子集成电路, 电光调制器, 氮化硅, 氧化铽酸锂, 高速光通信