01导读

近日，哈佛大学MarkoLoncar和悉尼大学XiaokeYi及其合作者实现了一种小尺寸波导集成的碳化硅（SiC）泡克耳斯（Pockels）调制器，具有千兆赫带宽和互补金属氧化物半导体(CMOS)级电压。该工作将Pockels效应和CMOS工艺兼容平台结合起来，无信号退化，无光折变效应，在高光强(kW/mm2)下稳定运行，为现代通信提供了高信噪比。相关研究相关研究成果以“Integratedsiliconcarbideelectro-opticmodulator”为题，发表在NatureCommunications上。

前沿进展

02研究背景

碳化硅具有良好的光学和电学特性，是集成光子技术的新型平台。然而该平台缺少一种重要器件——电光调制器，一种将电信号编码到光信号上的器件。作为一种非中心对称晶体，碳化硅具有Pockels（或线性电光）效应，这使折射率随外加电场迅速线性变化。因此，基于Pockels的调制器可以在不增加光损耗的情况下实现高数据速率和微波转换效率。

03研究创新点

集成立方相碳化硅（3C-SiC）调制器利用Pockels效应驱动亚微米宽微环谐振器实现电光调制，其结构示意图如图1所示。微环的选择使器件占地面积更加紧凑(90μm2)，并且可以在CMOS数模转换器(DAC)驱动下保持高调制性能。该调制器是利用CMOS工艺在绝缘体上的3C-SiC制作完成的，减少了多晶颗粒和波导表面粗糙度的影响，使用单模波导的光学损耗为~5.2dB/cm。

图1绝缘体上的SiC集成Pockels调制器。(a)与CMOS电压兼容的环形调制器；(b)微环波导和调制器电极的扫描电镜图像；(c)调制器有源区扫描电镜截面图；(d)调制器有源区静电场和光模场的仿真结果；（e）波导侧壁扫描电镜图像；（f）通过垂直光栅耦合器（VGCs）校正损耗后，测量的SiC微环谐振器的光谱；（g）洛伦兹拟合的共振线形状后确定的本征光学质量因子（交叉：测量；实线：洛伦兹拟合）。

如图2所示，研究人员测量了调制器的性能：1）3dB操作带宽为7.1GHz；2）Pockels系数为1.5pm/V。

图2调制器带宽和电光（EO）表征。（a）RFS-参数表征：?3dB和?6dB带宽分别为7.1GHz和9.9GHz。（b）不同输入RF频率下调制器的输出光谱。

研究人员采用CMOSDAC直接驱动调制器来表征低电压下调制器的性能，测量结果如图3所示。当驱动电压分别为2Vpp和1.2Vpp时，调制器输出的时域波形为5Gb/s。同时测量了不同驱动电压下，比特率为5Gbit/s时测得的眼图。

图3比特非归零(NRZ)伪随机位序列(PRBS)的CMOS级数字电光调制。（a）实验装置采用CMOSDAC驱动GSG电极；（b）当驱动电压分别为2Vpp和1.2Vpp时，调制器输出的时域波形为5Gb/s；（c）驱动电压、比特率以及眼图质量因子（QE）；（d）不同驱动电压下，比特率为5Gbit/s时测得的眼图。

为了量化SiC调制器在高且连续光强下的性能，研究人员测量了不同光输入功率的调制器的EO响应，结果如图4所示。测量结果表明，输入光强从kW/mm2增加到kW/mm2，EO响应提高了10.2dB。同时，调制器的传输速率可以达到15Gbit/s，测得的眼图证实，当在高光强下操作调制器时，眼图开口增加，没有信号退化。这是由于在更高的光功率下，信噪比增加，从而提高了数据传输速度。最后，研究人员对比了集中EO调制器平台的材料参数，结果显示了SiC在高功率处理方面的明显优势。

图4调制器在大功率下的工作状态以及不同材料参数的对比。（a）高光强下的电光s参数表征显示射频响应有了改善；（b）10Gb/s和15Gb/s下的实测眼图；（c）在更高的输入光强下，调制器具有鲁棒性；（d）SiC与广泛应用的光学材料的材料参数对比。

04总结与展望

研究人员实现了一个CMOS工艺兼容、小尺寸，低电压的SiC电光调制器，通过Pockels效应电驱动基于亚微米宽的微环谐振器实现电光调制。该调制器能够在高达kW/mm2的高光强度下连续工作，传输速率可达15Gbit/s并且没有信号退化或光折射的存在，为现代通信提供了高信噪比。

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