基于BTO钛酸钡的硅光集成调制器设计简介

对光通信也好，对激光雷达也好，期待相移尺寸越小越好，来满足更高集成度的需求，尤其是激光雷达对于集成度提高的迫切程度，远远大于光通信这个领域。

也就有了各种新的电光材料的产业化探索，昨天写了基于TCO的材料，在Y8T247写了相变材料。今天写一下BTO钛酸钡

BTO，BaTiO3，钛酸钡，这个材料的一阶电光系数非常高，923pm/V，是铌酸锂的30倍。而硅没有直接电光效应，是采用载流子浓度变化作为间接控制折射率的一种技术路线。

材料电光系数为什么用[长度/电压]做单位，原因写在2022合集上第97-99页。

如果用钛酸钡做电光调制器，不仅比硅要好很多，甚至比铌酸锂都好太多太多了，那产业界没有用起来一定有些原因的。

钛酸钡产业受限的原因之一：居里温度点太低

什么叫居里温度点？

居里点（Curie point），也叫居里温度点（Curie temperature point，Tc）或磁性转变点。是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。

我们写光模块的隔离器时说过这个参数，因为隔离器的法拉第片用的是磁致旋光作用，如果磁性消失，意味着隔离器就失效了。

钛酸钡对居里温度点这么关注，是材料磁性消失的根本原因在于“相变”，材料的结构变了。

钛酸钡的居里点是125℃，高于这个温度，钛酸钡晶体就成了对称晶体，没有电光效应了，硅就是对称晶体，所以就没有直接电光效应。低于这个点，钛酸钡是非对称的“斜”晶，就能用作调制器。

对比一下，

铌酸锂的居里点，>1000℃，在我们做光模块也好，在做激光雷达也好，基本上正常应用就不会导致铌酸锂结构改变。

钛酸钡的居里点，125℃，很容易就触碰到这个温度了呀，从材料到芯片到组装成光模块，这一整套多个环节的工艺，外延、退火、键合、烧结、固化、焊接.....，谁也不敢说全部控制在小于125℃

有两个弥补路径，一个是通过应变，略提高一下钛酸钡的居里点，比如提高到两三百度，确实很难，其次是避让高温工艺，确实也很难。

接着聊钛酸钡的其他劣势，

做钛酸钡陶瓷很容易，多晶也很容易，但制造高品质的单晶就很难。

很多科学家制作的钛酸钡单晶，与硅光目前的主流工艺不兼容，这也是产业瓶颈。

今年，一个做硅基钛酸钡的厂家，说他们解决了硅基钛酸钡的工艺，但拒绝透露细节。

盲猜一下吧，这个公司的人是从IBM出来的，IBM在2019、2020年的OFC，都介绍了他们钛酸钡的工艺流程。

我梳理一下，IBM用了异质外延键合工艺，现在SOI的硅基wafer上用MBE沉积170nm后的钛酸钡层，之后沉积氧化铝层，用于晶圆键合。

早期的硅光和硅基钛酸钡的键合层，高度差异很大，后期则逐步优化降低高度。

探测器用的是锗，调制器用钛酸钡，先在另一个晶圆上制作硅波导、探测器等工艺，之后做电极。

硅光集成工艺不同高度的区别在于工艺温度，是先做高温工艺，再慢慢的做低温工艺，避免后续的制作过程温度太高影响前边已经做好的结构外形以及性能。

把高温工艺做完后，再键合硅基钛酸钡晶圆，之后去除衬底，留下钛酸钡。

看上图，左下是硅基锗探测器，右上是硅基钛酸钡调制器，他们二者还互相掣肘。

要形成钛酸钡的高质量单晶，需要退火，而这个退火过程是会影响锗的单晶状态。

钛酸钡和锗，他们都是“温度”敏感材料。

IBM对钛酸钡工艺温度不断优化，是他们的重点，如果工艺温度点能提高到350℃左右，就能降低高度，实现我们所理解的硅基钛酸钡高效率的调制器。

小结一下：

硅没有直接电光效应，MZ调制器的VπL大约在2V.cm，MR微环调制器的VπL大约在0.5V.cm

昨天聊的TCO调制器的VπL大约在0.05V.cm

今天聊的BTO调制器VπL大约在0.2V.cm

钛酸钡的优缺点

优点：直接电光系数非常高，适合电光调制器的小型化

劣势：居里温度太低，单晶质量不好控制，与硅光集成的工艺平台不兼容等。

审核编辑：刘清