聯(lián)合微電子中心硅基光電子研發(fā)團隊：硅基熱光移相器的最新研究進展綜述

  研究背景

  硅基光電子技術是集成光子領域的重要研究方向之一，借助于硅材料本身的特性及其與CMOS工藝相兼容的特點，硅基光器件具有成本低、集成度高等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得硅基光學相控陣、硅基光學神經(jīng)網(wǎng)絡和硅基光量子計算等芯片取得快速發(fā)展。硅基移相器是這些芯片中的一種重要器件，通過改變波導折射率，實現(xiàn)對光波相位的控制，從而實現(xiàn)芯片功能調(diào)控。目前常用的硅基移相器主要有電光移相器、熱光移相器和納米光電機械移相器等，其中，熱光移相器因其制作簡單、功耗低、損耗小等優(yōu)勢而受到了廣泛關注。

  熱光移相器是基于硅材料的熱光效應實現(xiàn)的，由于硅材料具有較高的熱光系數(shù)，通過硅材料溫度改變完成硅波導光學性質(zhì)調(diào)節(jié)的熱光調(diào)制在硅基光器件中發(fā)揮著重要的作用，尤其是在低成本和低頻調(diào)制領域，具有很高的吸引力。本文主要對國內(nèi)外報道的熱光移相器基本原理、器件結構與性能參數(shù)等進行了梳理，并對CUMEC熱光移相器優(yōu)化設計進行了詳細介紹，最后對不同結構熱光移相器的性能進行了分析與展望。

  內(nèi)容簡介

  2022年4月12日，聯(lián)合微電子中心硅基光電子團隊在Frontiers of Optoelectronics 期刊上發(fā)表了一篇以“Thermo?optic phase shifters based on silicon?on?insulator platform: state?of?the?art and a review”為題的綜述文章。

  本文從硅基熱光移相器的基本原理出發(fā)，介紹了多種不同結構的熱光移相器，闡述了這些移相器的波導結構、移相效率、開關時間、面積與工藝平臺等參數(shù)。之后結合近幾年的代表性文章，歸納總結了單波導熱光移相器、懸臂梁波導熱光移相器、高密度波導熱光移相器、波導復用熱光移相器和可尋址熱光移相器等方面的工作，綜合對比了不同類型熱光移相器的性能及發(fā)展趨勢，為未來熱光移相器在高集成度硅基光子芯片中的應用提供了基礎和思路。

  圖文簡介

  進展1 ：熱光移相器的結構與實現(xiàn)原理

  硅材料具有較高的熱光系數(shù)，室溫下大約是1.8 × 10-4 K-1。因此，只需要升高有限的溫度，就能實現(xiàn)明顯的波導折射率變化。同時，硅材料的熱導率大約是149 W/mK，這一特性保證了硅基熱光移相器可以有較快的響應速度，開關時間一般在幾十微秒以內(nèi)。圖1展示了絕緣襯底上硅(Silicon-on-insulator, SOI)的多種硅基熱光移相器的橫截面結構，其中加熱器主要是通過高電阻率的金屬或摻雜波導實現(xiàn)，并從波導上方或兩側(cè)對波導進行加熱。對于單波導熱光移相器，這兩種加熱方式的移相效率接近，大約在20-30mW/π之間。為了提高熱光移相器移相效率，一般會以減少熱耗散與提高熱量利用率為目標優(yōu)化熱光移相器結構。減少熱耗散主要通過刻蝕隔熱槽和掏空襯底工藝實現(xiàn)，如圖1(f)所示。為了提高熱量利用率可以利用加熱器熱場遠大于波導模場的特點，通過設計并制作高密度波導或波導復用的方式來增加熱場與模場的重疊積分，實現(xiàn)對熱量的高效利用，如圖1(g)-(h)所示。

圖1. 不同熱光移相器的截面圖。(a)由條形波導和金屬加熱器構成。(b)由條形波導和摻雜波導加熱器構成。

(c)由脊波導和摻雜波導加熱器構成。(d)由輕摻脊波導和摻雜波導加熱器構成。(e)由條形波導和金屬與摻雜波導混合加熱器構成。

(f)由懸臂梁波導和金屬加熱器構成。(g)由高密度波導和金屬加熱器構成。(h)由波導復用和金屬加熱器構成

  進展2. 單波導熱光移相器

  目前最常見的熱光移相器是通過在波導上方或兩側(cè)制作加熱器，波導結構有條形和脊形兩種形式。由這兩種波導結構組成的熱光移相器移相效率基本相同，但是開關時間會有較大區(qū)別。圖2展示的是2010年美國IBM實驗室的Joris等人設計并制作的脊形波導和鎳硅加熱器構成的熱光移相器，通過在脊形波導上方沉積一層氮化硅薄膜克服了鎳擴散引起的波導額外損耗。實驗人員將這種結構的熱光移相器放置于不等臂馬赫-增德爾干涉儀(Mach–Zehnder interferometer, MZI)的兩個臂上，并采用并聯(lián)的電學連接方式降低了加熱器電阻，實驗獲得了20 mW/π的移相效率，上升時間和下降時間分別是2.8 μs和2.2 μs。與條形波導構成的熱光移相器相比，上升時間和下降時間大約提升了4倍，這主要是由于硅的熱導率大于二氧化硅。

圖2. 脊形波導和鎳硅加熱器構成的熱光移相器。(a)截面圖的掃描電鏡圖像。(b)測試移相器移相效率與開關時間的MZI結構。(c)測試結構的電路圖。

【Optics Letters, 2010, 35(7): 1013-1015.】

  2013年，麻省理工學院的Michael等人設計并制作了加熱器集成于波導側(cè)壁的熱光移相器，如圖3所示。通過將加熱器集成于波導側(cè)壁，減少了熱量耗散，將熱光移相器移相效率提升至12.7 mW/π。同時，這種熱光移相器的開關時間與加熱器放置于脊形波導兩側(cè)的結構接近，實驗測試獲得上升時間和下降時間分別是2.2 μs和2.4 μs。盡管這種結構的移相器可以實現(xiàn)光學相位的快速高效調(diào)節(jié)，但是會因為載流子吸收效應而產(chǎn)生額外的損耗。這是因為集成于波導側(cè)壁的加熱器會對經(jīng)過波導的光產(chǎn)生吸收，實驗測試單個移相器的損耗大約是0.5 dB。

圖3. 加熱器集成于波導側(cè)壁的熱光移相器。(a)熱光移相器構成的MZI測試結構。(b)MZI開關時間測試結果。(c)MZI在頻域的消光比測試結果。

【Optics Letters, 2013, 38(5): 733-735.】

  2020年，聯(lián)合微電子中心提出并實驗驗證了一種混合型熱光移相器，通過將摻雜波導與金屬加熱器并聯(lián)的方式，同時從上方和兩側(cè)對波導加熱，能較大改善熱光移相器的響應曲線，如圖4所示。但是這種結構并不能解決熱量從硅襯底耗散的問題，所以移相效率并沒有顯著提高。

圖4. 混合型熱光移相器。(a)由金屬與摻雜波導并聯(lián)形成的加熱器結構示意圖。(b)輸出光功率隨加熱器功耗的變化曲線。(c)光學相位隨驅(qū)動功率的變化曲線。(d)與金屬加熱器的熱光移相器響應曲線對比

  進展3. 懸臂梁波導熱光移相器

  前文所述的熱光移相器都是通過結構優(yōu)化來提高移相器的性能，不能解決熱量從硅襯底耗散的問題。解決該問題最有效的辦法是刻蝕硅波導附近區(qū)域的二氧化硅與硅襯底，利用空氣熱導率低的特性將熱量集中于波導附近，減少熱量耗散，提高移相器移相效率。其中，比較典型的工作有，2011年新加坡IME的研究人員設計并實現(xiàn)了懸臂梁波導結構，如圖5所示，采用干法刻蝕將硅波導附近的二氧化硅和下方120 μm厚的硅襯底去除，保留部分二氧化硅，形成波導幾何支撐結構，克服了硅波導可能面臨的斷裂與塌陷問題。這種結構可以將熱光移相器移相效率提升至0.49 mW/π，但是由于空氣熱導率低，移相器的上升時間和下降時間大約是144 μs和122 μs。因此，這種結構的移相器一般用于光模塊等只需要進行工作點單次調(diào)節(jié)而不用反復調(diào)節(jié)的器件。

圖5. 懸臂梁波導熱光移相器的掃描電鏡圖與測試結果圖。

【IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23(8): 525-527.】

  為了實現(xiàn)更高效的熱光移相器，2015年英屬哥倫比亞大學研究人員采用多種方案結合的方式實現(xiàn)了一種超高效熱光移相器，研究人員通過計算相鄰不同寬度波導間的串擾，設計了一種高密度波導結構，并在波導周圍進行了隔熱槽與襯底掏空工藝。圖6展示了移相器的結構和實驗結果，與MZI測試結構相比，邁克爾遜干涉儀(Michelson Interferometer，MI)測試結構實現(xiàn)了對熱量的重復利用，移相效率會提高一倍。實驗測試移相效率是50 μW/π，上升時間和下降時間大約是780 μs和500 μs。

圖6. 超高效熱光移相器的結構和測試結果圖。 

【IEEE Photonics Technology Letters，2015, 27(22): 2319-2322.】

  進展4. 高密度波導熱光移相器

  懸臂梁波導熱光移相器需要在波導周圍進行隔熱槽和襯底掏空工藝，這些結構面積大且工藝復雜，限制了移相器規(guī)模擴展;同時，懸臂梁波導熱光移相器調(diào)節(jié)速度慢，不適用于移相器需要調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡。為了克服這些問題，2019年南加利福尼亞大學的SungWon Chung等人提出了一種高移相效率和小面積的熱光移相器，如圖7所示。移相器由寬度400 nm和500 nm 的單模波導間隔排列形成，相鄰波導中心間隔1000 nm，波導轉(zhuǎn)彎位置采用歐拉波導和錐形器件連接。這種結構可以將移相效率提升至2.56mW/π，面積大約是0.0023 mm2，上升時間和下降時間大約是34.8 μs和34.4 μs，損耗為1.23 dB。

圖7. 高密度波導熱光移相器結構、掃描電鏡圖、測試結構和測試結果圖。

 【Optics Express，2019, 27(9): 13430-13459.】

  2020年，丹麥技術大學的研究人員采用高密度螺旋形波導實現(xiàn)了熱光移相器移相效率、調(diào)節(jié)速度、面積與損耗的均衡。圖8展示了移相器的結構和實驗結果，移相效率大約是3.0 mW/π，面積是0.001876 mm2，損耗是0.9 dB，上升時間和下降時間大約是11 μs和7 μs。與高密度波導熱光移相器相比，這種移相器具有更低的損耗和更快的調(diào)節(jié)速度，更加適宜于硅基光學相控陣等大規(guī)模網(wǎng)絡。

圖8. 高密度螺旋形波導熱光移相器結構和測試結果圖。 

【Optics Letters，2020, 45(17): 4806-4809.】

  為了方便設計人員根據(jù)需求對高密度波導折疊次數(shù)進行選擇，聯(lián)合微電子中心研究人員在硅基光電子工藝平臺對不同折疊次數(shù)的高密度熱光移相器進行了測試，如圖9所示。實驗結果顯示，當需要綜合考慮移相效率、調(diào)節(jié)速度和波導損耗時，選擇2根波導效果最優(yōu)。忽略波導數(shù)目增多帶來的傳播損耗，當波導數(shù)目由3根變化成9根時，移相器的品質(zhì)因子僅提升了三分之一。與懸臂梁波導熱光移相器相比，這種高密度波導熱光移相器兼顧了移相效率和調(diào)節(jié)速度，并且具有面積小、制造工藝簡單等優(yōu)勢，設計人員可以根據(jù)自身需求對高密度波導結構進行合理優(yōu)化。

圖9. 高密度波導熱光移相器結構與測試結果圖

  進展5. 波導復用熱光移相器

  利用光的并行性提高熱光移相器移相效率是一種行之有效的方案，圖10展示了Michal Lipson教授團隊設計并制作的一種基于模式轉(zhuǎn)換的波導復用熱光移相器，利用模式轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了TE0模到TE6模的逐級轉(zhuǎn)換，并將加熱器放置于中間波導上方，利用不同模式的光多次經(jīng)過受熱波導的特點，實現(xiàn)了對受熱波導的復用，從而提高了熱光移相器移相效率。由于這種結構只是對受熱波導進行了復用，并沒有影響熱量的產(chǎn)生與耗散，所以調(diào)節(jié)速度并不會發(fā)生改變。實驗顯示移相器的移相效率可以提升至1.7 mW/π，但是模式轉(zhuǎn)換器會帶來額外的損耗，不適用于多層移相器級聯(lián)形成的網(wǎng)絡。

圖10. 波導復用熱光移相器結構與原理圖。

 【Optica，2020, 7(1): 3-6.】

  與非對稱方向耦合器形成的模式轉(zhuǎn)換器相比，交錯光柵模式轉(zhuǎn)換器具有更小的尺寸，聯(lián)合微電子中心研究人員利用這一特點開發(fā)了基于交錯光柵的波導復用熱光移相器，如圖11所示。研究人員采用交錯光柵實現(xiàn)了輸入TE0模反射形成TE1模，經(jīng)過受熱波導之后在非對稱方向耦合器位置轉(zhuǎn)換形成TE0模，并通過加熱器后從移相器右端輸出，與單根波導熱光移相器相比，移相效率大約提升了2.8倍，上升時間和下降時間分別是7.1 μs和9.7 μs。與前文基于非對稱方向耦合器的波導復用熱光移相器相同，這種結構的移相器損耗比較高，不適用于多層移相器級聯(lián)形成的網(wǎng)絡。

圖11. 交錯光柵模式轉(zhuǎn)換器形成的波導復用熱光移相器結構和實驗測試結果

  進展5. 可尋址熱光移相器

  受益于硅基光電子成熟的制造工藝，熱光移相器被廣泛應用于各種網(wǎng)絡中，但每個熱光移相器都需要兩個電學端口，當網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，電學端口數(shù)目呈冪增長，這極大地限制了網(wǎng)絡規(guī)模的擴展。為了解決這個問題，根特大學的Wim Bogaerts團隊提出了一種可尋址熱光移相器結構，如圖12所示。熱光移相器的加熱器由二極管構成，通過脈沖寬度調(diào)節(jié)的方式實現(xiàn)對移相器相位的任意調(diào)節(jié)。對于由M×N個可尋址熱光移相器構成的M行N列網(wǎng)絡，僅需(M+N)個電學端口，就能在時分復用的方式下實現(xiàn)對網(wǎng)絡中移相器的任意調(diào)節(jié)，減少了電學端口數(shù)目，對于大規(guī)模集成光子的發(fā)展具有重要的意義。

  圖12.可尋址熱光移相器。(a)結構示意圖，(b)電學測試結果，(c)功率分流網(wǎng)絡，(d)矩陣網(wǎng)絡。 

【IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2020, 26(5): 6100708】

  總結

  熱光移相器具有成本低、制作簡單和良率高的優(yōu)勢，在硅基光電子芯片中起著至關重要的作用。本文綜述了SOI平臺上熱光移相器的發(fā)展現(xiàn)狀和潛在趨勢，從移相器的移相效率、調(diào)制速度、面積和損耗等不同維度進行了分析與比較，并對CUMEC工藝平臺熱光移相器的特色與優(yōu)勢進行了介紹，總結對比見下表。文章內(nèi)容能夠為未來高效快速小型化的熱光移相器發(fā)展迭代提供基礎和思路。