基于BTO鈦酸鋇的硅光集成調(diào)制器設(shè)計(jì)簡介

對(duì)光通信也好，對(duì)激光雷達(dá)也好，期待相移尺寸越小越好，來滿足更高集成度的需求，尤其是激光雷達(dá)對(duì)于集成度提高的迫切程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光通信這個(gè)領(lǐng)域。

也就有了各種新的電光材料的產(chǎn)業(yè)化探索，昨天寫了基于TCO的材料，在Y8T247寫了相變材料。今天寫一下BTO鈦酸鋇

BTO，BaTiO3，鈦酸鋇，這個(gè)材料的一階電光系數(shù)非常高，923pm/V，是鈮酸鋰的30倍。而硅沒有直接電光效應(yīng)，是采用載流子濃度變化作為間接控制折射率的一種技術(shù)路線。

材料電光系數(shù)為什么用[長度/電壓]做單位，原因?qū)懺?022合集上第97-99頁。

如果用鈦酸鋇做電光調(diào)制器，不僅比硅要好很多，甚至比鈮酸鋰都好太多太多了，那產(chǎn)業(yè)界沒有用起來一定有些原因的。

鈦酸鋇產(chǎn)業(yè)受限的原因之一：居里溫度點(diǎn)太低

什么叫居里溫度點(diǎn)？

居里點(diǎn)（Curie point），也叫居里溫度點(diǎn)（Curie temperature point，Tc）或磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。是指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度，是鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)的臨界點(diǎn)。

我們寫光模塊的隔離器時(shí)說過這個(gè)參數(shù)，因?yàn)楦綦x器的法拉第片用的是磁致旋光作用，如果磁性消失，意味著隔離器就失效了。

鈦酸鋇對(duì)居里溫度點(diǎn)這么關(guān)注，是材料磁性消失的根本原因在于“相變”，材料的結(jié)構(gòu)變了。

鈦酸鋇的居里點(diǎn)是125℃，高于這個(gè)溫度，鈦酸鋇晶體就成了對(duì)稱晶體，沒有電光效應(yīng)了，硅就是對(duì)稱晶體，所以就沒有直接電光效應(yīng)。低于這個(gè)點(diǎn)，鈦酸鋇是非對(duì)稱的“斜”晶，就能用作調(diào)制器。

對(duì)比一下，

鈮酸鋰的居里點(diǎn)，>1000℃，在我們做光模塊也好，在做激光雷達(dá)也好，基本上正常應(yīng)用就不會(huì)導(dǎo)致鈮酸鋰結(jié)構(gòu)改變。

鈦酸鋇的居里點(diǎn)，125℃，很容易就觸碰到這個(gè)溫度了呀，從材料到芯片到組裝成光模塊，這一整套多個(gè)環(huán)節(jié)的工藝，外延、退火、鍵合、燒結(jié)、固化、焊接.....，誰也不敢說全部控制在小于125℃

有兩個(gè)彌補(bǔ)路徑，一個(gè)是通過應(yīng)變，略提高一下鈦酸鋇的居里點(diǎn)，比如提高到兩三百度，確實(shí)很難，其次是避讓高溫工藝，確實(shí)也很難。

接著聊鈦酸鋇的其他劣勢(shì)，

做鈦酸鋇陶瓷很容易，多晶也很容易，但制造高品質(zhì)的單晶就很難。

很多科學(xué)家制作的鈦酸鋇單晶，與硅光目前的主流工藝不兼容，這也是產(chǎn)業(yè)瓶頸。

今年，一個(gè)做硅基鈦酸鋇的廠家，說他們解決了硅基鈦酸鋇的工藝，但拒絕透露細(xì)節(jié)。

盲猜一下吧，這個(gè)公司的人是從IBM出來的，IBM在2019、2020年的OFC，都介紹了他們鈦酸鋇的工藝流程。

我梳理一下，IBM用了異質(zhì)外延鍵合工藝，現(xiàn)在SOI的硅基wafer上用MBE沉積170nm后的鈦酸鋇層，之后沉積氧化鋁層，用于晶圓鍵合。

早期的硅光和硅基鈦酸鋇的鍵合層，高度差異很大，后期則逐步優(yōu)化降低高度。

探測(cè)器用的是鍺，調(diào)制器用鈦酸鋇，先在另一個(gè)晶圓上制作硅波導(dǎo)、探測(cè)器等工藝，之后做電極。

硅光集成工藝不同高度的區(qū)別在于工藝溫度，是先做高溫工藝，再慢慢的做低溫工藝，避免后續(xù)的制作過程溫度太高影響前邊已經(jīng)做好的結(jié)構(gòu)外形以及性能。

把高溫工藝做完后，再鍵合硅基鈦酸鋇晶圓，之后去除襯底，留下鈦酸鋇。

看上圖，左下是硅基鍺探測(cè)器，右上是硅基鈦酸鋇調(diào)制器，他們二者還互相掣肘。

要形成鈦酸鋇的高質(zhì)量單晶，需要退火，而這個(gè)退火過程是會(huì)影響鍺的單晶狀態(tài)。

鈦酸鋇和鍺，他們都是“溫度”敏感材料。

IBM對(duì)鈦酸鋇工藝溫度不斷優(yōu)化，是他們的重點(diǎn)，如果工藝溫度點(diǎn)能提高到350℃左右，就能降低高度，實(shí)現(xiàn)我們所理解的硅基鈦酸鋇高效率的調(diào)制器。

小結(jié)一下：

硅沒有直接電光效應(yīng)，MZ調(diào)制器的VπL大約在2V.cm，MR微環(huán)調(diào)制器的VπL大約在0.5V.cm

昨天聊的TCO調(diào)制器的VπL大約在0.05V.cm

今天聊的BTO調(diào)制器VπL大約在0.2V.cm

鈦酸鋇的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：直接電光系數(shù)非常高，適合電光調(diào)制器的小型化

劣勢(shì)：居里溫度太低，單晶質(zhì)量不好控制，與硅光集成的工藝平臺(tái)不兼容等。

審核編輯：劉清