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(shù)是集成光子領(lǐng)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(xué)相控陣、硅基光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(guān)注。

  熱光移相器是基于硅材料的熱光效應(yīng)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(dǎo)光學(xué)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(lǐng)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(jié)構(gòu)與性能參數(shù)等進行了梳理，并對CUMEC熱光移相器優(yōu)化設(shè)計進行了詳細介紹，最后對不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的熱光移相器，闡述了這些移相器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、移相效率、開關(guān)時間、面積與工藝平臺等參數(shù)。之后結(jié)合近幾年的代表性文章，歸納總結(jié)了單波導(dǎo)熱光移相器、懸臂梁波導(dǎo)熱光移相器、高密度波導(dǎo)熱光移相器、波導(dǎo)復(fù)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(yīng)用提供了基礎(chǔ)和思路。

  圖文簡介

  進展1 ：熱光移相器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)折射率變化。同時，硅材料的熱導(dǎo)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(yīng)速度，開關(guān)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(jié)構(gòu)，其中加熱器主要是通過高電阻率的金屬或摻雜波導(dǎo)實現(xiàn)，并從波導(dǎo)上方或兩側(cè)對波導(dǎo)進行加熱。對于單波導(dǎo)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(jié)構(gòu)。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(dǎo)模場的特點，通過設(shè)計并制作高密度波導(dǎo)或波導(dǎo)復(fù)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(dǎo)和金屬加熱器構(gòu)成。(b)由條形波導(dǎo)和摻雜波導(dǎo)加熱器構(gòu)成。

(c)由脊波導(dǎo)和摻雜波導(dǎo)加熱器構(gòu)成。(d)由輕摻脊波導(dǎo)和摻雜波導(dǎo)加熱器構(gòu)成。(e)由條形波導(dǎo)和金屬與摻雜波導(dǎo)混合加熱器構(gòu)成。

(f)由懸臂梁波導(dǎo)和金屬加熱器構(gòu)成。(g)由高密度波導(dǎo)和金屬加熱器構(gòu)成。(h)由波導(dǎo)復(fù)用和金屬加熱器構(gòu)成

  進展2. 單波導(dǎo)熱光移相器

  目前最常見的熱光移相器是通過在波導(dǎo)上方或兩側(cè)制作加熱器，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有條形和脊形兩種形式。由這兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成的熱光移相器移相效率基本相同，但是開關(guān)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(shè)計并制作的脊形波導(dǎo)和鎳硅加熱器構(gòu)成的熱光移相器，通過在脊形波導(dǎo)上方沉積一層氮化硅薄膜克服了鎳擴散引起的波導(dǎo)額外損耗。實驗人員將這種結(jié)構(gòu)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(xué)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(dǎo)構(gòu)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(dǎo)率大于二氧化硅。

圖2. 脊形波導(dǎo)和鎳硅加熱器構(gòu)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(guān)時間的MZI結(jié)構(gòu)。(c)測試結(jié)構(gòu)的電路圖。

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

  2013年，麻省理工學(xué)院的Michael等人設(shè)計并制作了加熱器集成于波導(dǎo)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(dǎo)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(guān)時間與加熱器放置于脊形波導(dǎo)兩側(cè)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的移相器可以實現(xiàn)光學(xué)相位的快速高效調(diào)節(jié)，但是會因為載流子吸收效應(yīng)而產(chǎn)生額外的損耗。這是因為集成于波導(dǎo)側(cè)壁的加熱器會對經(jīng)過波導(dǎo)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(dǎo)側(cè)壁的熱光移相器。(a)熱光移相器構(gòu)成的MZI測試結(jié)構(gòu)。(b)MZI開關(guān)時間測試結(jié)果。(c)MZI在頻域的消光比測試結(jié)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(dǎo)與金屬加熱器并聯(lián)的方式，同時從上方和兩側(cè)對波導(dǎo)加熱，能較大改善熱光移相器的響應(yīng)曲線，如圖4所示。但是這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)并聯(lián)形成的加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。(b)輸出光功率隨加熱器功耗的變化曲線。(c)光學(xué)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(yīng)曲線對比

  進展3. 懸臂梁波導(dǎo)熱光移相器

  前文所述的熱光移相器都是通過結(jié)構(gòu)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(dǎo)附近區(qū)域的二氧化硅與硅襯底，利用空氣熱導(dǎo)率低的特性將熱量集中于波導(dǎo)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(shè)計并實現(xiàn)了懸臂梁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，采用干法刻蝕將硅波導(dǎo)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(dǎo)幾何支撐結(jié)構(gòu)，克服了硅波導(dǎo)可能面臨的斷裂與塌陷問題。這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(fù)調(diào)節(jié)的器件。

圖5. 懸臂梁波導(dǎo)熱光移相器的掃描電鏡圖與測試結(jié)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(xué)研究人員采用多種方案結(jié)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(dǎo)間的串?dāng)_，設(shè)計了一種高密度波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并在波導(dǎo)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(jié)構(gòu)和實驗結(jié)果，與MZI測試結(jié)構(gòu)相比，邁克爾遜干涉儀(Michelson Interferometer，MI)測試結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對熱量的重復(fù)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(jié)構(gòu)和測試結(jié)果圖。 

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

  進展4. 高密度波導(dǎo)熱光移相器

  懸臂梁波導(dǎo)熱光移相器需要在波導(dǎo)周圍進行隔熱槽和襯底掏空工藝，這些結(jié)構(gòu)面積大且工藝復(fù)雜，限制了移相器規(guī)模擴展;同時，懸臂梁波導(dǎo)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(luò)。為了克服這些問題，2019年南加利福尼亞大學(xué)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(dǎo)間隔排列形成，相鄰波導(dǎo)中心間隔1000 nm，波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎位置采用歐拉波導(dǎo)和錐形器件連接。這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱光移相器結(jié)構(gòu)、掃描電鏡圖、測試結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果圖。

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

  2020年，丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員采用高密度螺旋形波導(dǎo)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(jié)構(gòu)和實驗結(jié)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(dǎo)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(xué)相控陣等大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

圖8. 高密度螺旋形波導(dǎo)熱光移相器結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果圖。 

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

  為了方便設(shè)計人員根據(jù)需求對高密度波導(dǎo)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(jié)果顯示，當(dāng)需要綜合考慮移相效率、調(diào)節(jié)速度和波導(dǎo)損耗時，選擇2根波導(dǎo)效果最優(yōu)。忽略波導(dǎo)數(shù)目增多帶來的傳播損耗，當(dāng)波導(dǎo)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(dǎo)熱光移相器相比，這種高密度波導(dǎo)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(shè)計人員可以根據(jù)自身需求對高密度波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化。

圖9. 高密度波導(dǎo)熱光移相器結(jié)構(gòu)與測試結(jié)果圖

  進展5. 波導(dǎo)復(fù)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(shè)計并制作的一種基于模式轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)復(fù)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(dǎo)上方，利用不同模式的光多次經(jīng)過受熱波導(dǎo)的特點，實現(xiàn)了對受熱波導(dǎo)的復(fù)用，從而提高了熱光移相器移相效率。由于這種結(jié)構(gòu)只是對受熱波導(dǎo)進行了復(fù)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(luò)。

圖10. 波導(dǎo)復(fù)用熱光移相器結(jié)構(gòu)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(dǎo)復(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)復(fù)用熱光移相器相同，這種結(jié)構(gòu)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(luò)。

圖11. 交錯光柵模式轉(zhuǎn)換器形成的波導(dǎo)復(fù)用熱光移相器結(jié)構(gòu)和實驗測試結(jié)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(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)中，但每個熱光移相器都需要兩個電學(xué)端口，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大時，電學(xué)端口數(shù)目呈冪增長，這極大地限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展。為了解決這個問題，根特大學(xué)的Wim Bogaerts團隊提出了一種可尋址熱光移相器結(jié)構(gòu)，如圖12所示。熱光移相器的加熱器由二極管構(gòu)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(gòu)成的M行N列網(wǎng)絡(luò)，僅需(M+N)個電學(xué)端口，就能在時分復(fù)用的方式下實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中移相器的任意調(diào)節(jié)，減少了電學(xué)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(jié)構(gòu)示意圖，(b)電學(xué)測試結(jié)果，(c)功率分流網(wǎng)絡(luò)，(d)矩陣網(wǎng)絡(luò)。 

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

  總結(jié)

  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(guān)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(jié)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(chǔ)和思路。