IMEC iSiPP200硅基光电子平台上实现的热光相移器

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子正成为集成光线路的关键技术，具有与CMOS兼容和占用面积小的优势。在许多硅基光电子应用中，如光开关、通信和可编程线路，热光相移器扮演着核心角色。本文将探讨在imec的iSiPP200硅基光电子平台上实现的各种热光相移器的设计、特性和性能指标。
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热光相移器利用硅的高热光系数来实现光信号的相位变化。通过局部加热硅，我们可以改变其折射率，从而改变通过的光的相位。本文将探讨不同的加热器设计，讨论热隔离对效率和带宽的影响，并提供选择最合适相移器的见解[1]。
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相移器设计
让我们首先来看看在imec平台上实现的各种相移器设计。

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, o2 ^, B# Z) O" ]图1

图1展示了几种关键设计：
1. 掺杂硅侧加热器
2 A  G1 t7 X  `5 u$ _# pa) 带衬底刻蚀（图1a1）
5 t# Z$ ?' J/ ]  p+ u0 ], |b) 不带衬底刻蚀（图1a2）
9 M/ t9 m2 q) o% H' i
& @0 c3 c$ D" P  a3 U这些加热器使用P型掺杂硅作为浅刻蚀肋型波导旁的电阻。掺杂增加了导电性，允许通过电接触流过电流。
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9 K/ R" G5 `" |" ^2. 掺杂波导
) P+ W5 f5 U7 w& X% P2 F0 Y4 d7 qa) 横向电流注入（图1b1）
b) 纵向电流注入（图1b2）
! ~: C1 j, M+ |8 ]' G% X4 S
这些设计使用深刻蚀肋型波导作为电阻。在横向注入设计中，电流直接流过波导。纵向设计使用侧加热器和中央波导形成电路。
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3. 二极管加载加热器
& k% Y9 M5 s7 Y0 _; @a) P型二极管加载（图1c1）
, y" V; _9 ]! p+ ~1 c) r* Ib) N型二极管加载（图1c2）

这些加热器使用全刻蚀条形波导，通过选择性掺杂在加热器内部创建PN结。

$ Z5 G* ]6 _! B4. 金属顶部加热器
1 ~) d0 W) }' s! d1 [. f4 y1 }9 ra) 单线加热器（图1d1）
b) 折叠钨加热器（图1d2）
* ^0 K) Y* F) {# n+ ?7 d2 ?) K
$ s3 A( x1 Q" v这些设计使用放置在波导上方的金属电阻，折叠版本旨在提高效率。
/ A7 E0 w" `3 n6 m; r% Y9 D
/ `% Q9 }  u) s测量方法
# @3 p# X1 Z. u' }+ J为了表征这些相移器，研究人员采用带有标准2×2多模干涉仪（MMI）的非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。主要使用两种测量方法：

3 K5 M0 w6 Z; E$ u, P- X8 g1. 效率测量
; {3 Q4 J6 f8 ^% r

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+ H: U) z2 E1 b图2

  I2 j5 m3 [! F, O* y; [如上图2a所示，此方法包括：

使用光栅耦合器将光耦合到MZI中

通过扫描直流电压驱动加热器

同时监测电流和光输出功率

% d) h. a* N8 j2 J; X2. 带宽测量
. R; @- D1 M2 j7 ~0 y4 }4 _上图2b展示了带宽测量设置：
2 u9 O9 i( y) i+ W! j2 u

使用函数发生器在不同频率注入射频信号

将光耦合到光电探测器

调整直流偏置到正交点以获得最大调制幅度

扫描频率以构建波特图

7 S; T0 y- m! s/ I0 H! |这些测量技术允许对相移器的性能进行全面表征。

性能分析
现在，让我们检查每种相移器设计的性能：
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" }: z0 q& H  u8 F% |% _1. 掺杂硅侧加热器

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; B$ L! E1 L6 A( d+ F0 V图3展示了通过衬底刻蚀进行热隔离的显著影响
/ Z  M' ]  J4 K  ]3 ~4 C
主要发现包括：
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对于28 μm加热器，π相移所需功率（Pπ）从35.16 mW降至13.20 mW，效率提高了2.7倍。

将加热器长度从28 μm增加到53 μm进一步将Pπ降低到8.92 mW，效率提高了1.48倍。

较长加热器效率提高的原因是衬底移除的相对面积增加，有助于将热量限制在波导周围。
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2. 二极管加载加热器

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. m9 n6 W+ O, U8 u! o图4
" d/ i& h, ~2 l7 @6 G: }) V
! j* t3 {& e- y+ ]# w. o0 a; J图4揭示了二极管加载加热器的有趣特性：

P型和N型二极管加载加热器都观察到明显的二极管I-V曲线。

在击穿电压（-3 V）以下，反向电流可忽略不计。

所有二极管显示相似的阈值电压，约为0.8 V。

在±3 V范围内操作允许在矩阵寻址方案中进行选择性激活。
' N/ u2 W7 B6 E0 y0 R  A
* u$ M( t! d  k( V6 d' L6 D" A4 X1 ]这些特性使二极管加载加热器特别适用于大规模可编程线路，为脉宽调制（PWM）或复用驱动技术提供了机会。
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3. 掺杂波导

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图5

图5比较了横向和纵向注入掺杂波导的带宽：
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横向注入（图1b1）在没有热隔离的情况下实现了18.73 mW的Pπ。

纵向注入（图1b2）由于加热更大的体积，需要更高的功率（Pπ = 32.43 mW）。

横向注入波导的-3 dB带宽（139 kHz）是纵向注入波导（41 kHz）的3.4倍。
, i) [. O, w1 Y6 V) r+ ?
& V1 b, W5 f, z6 ^这种带宽差异可以用简化的热阻-热容（RC）模型来解释。横向注入波导具有较小的热阻和热容，导致RC时间常数较小，从而带宽更高。

* ^' x8 E4 O. u7 }  M, \* v3 P4. 金属顶部加热器
" b5 T- q' J0 A* B

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图6

" o) N( y5 K9 R% }3 s: D4 X图6比较了单线和折叠钨加热器：
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单钨线：Pπ = 6.6 mW

4条折叠钨线在5×折叠波导上方：Pπ = 1.97 mW

) ^; P  Y6 X+ Q' n; h( k折叠设计通过使同一波导多次穿过加热体积显著提高了效率。

设计考虑和权衡
$ I% |! s* H' n* @, M% r& Q! b/ ^& I在为应用选择相移器设计时，请考虑以下因素：
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1. 效率与带宽
5 _9 K: P& E1 E较高的效率通常以降低带宽为代价。例如，虽然衬底刻蚀结构大大提高了效率，但可能限制热量散失并降低带宽。根据应用的速度要求进行选择。
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9 Z/ q. r8 ~* e; q" o2. 功耗
在大规模线路中，功耗变得至关重要。折叠金属加热器和衬底刻蚀结构提供最佳效率，但可能更难制造。
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3. 制造复杂性
0 ]" N+ @8 @) S7 X% B6 D! A一些设计，如衬底刻蚀结构或折叠波导，可能需要额外的加工步骤。评估性能增益是否证明增加的制造复杂性是合理的。
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) b3 r& v7 Z7 @. M2 f' J5 ?4. 电气特性
, u' h- N! U5 C2 i二极管加载加热器提供独特的电气特性，适用于矩阵寻址和先进的驱动方案。如果您正在设计大规模可编程线路，请考虑这些因素。

5. 热串扰
在密集的光子线路中，相邻相移器之间的热串扰可能很大。衬底刻蚀结构可能会加剧这个问题，因此可能需要适当的热隔离策略。

6. 可靠性和寿命
金属加热器随时间可能容易发生电迁移，可能影响长期可靠性。在某些应用中，掺杂硅加热器可能提供更好的长寿命。
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7. 驱动电子器件
: D2 P0 k. ^# y/ y) e/ Z1 }不同的加热器设计可能需要特定的驱动电路。例如，二极管加载加热器需要双极驱动器，而电阻加热器可以使用更简单的单极驱动器。
& \4 e* {1 o! g3 c- z0 ?! X
% H; L* A* b6 b5 F/ \结论
热光相移器是现代硅基光电子线路中不可或缺的组件。本文探讨了在imec的iSiPP200平台上实现的各种设计，包括掺杂硅侧加热器、二极管加载加热器、掺杂波导和金属顶部加热器。

8 _& \$ l0 J  y主要要点包括：

衬底刻蚀可以将加热器效率提高2.7倍。

掺杂波导中的横向电流注入比纵向注入提供1.73倍更好的效率和更快的响应。

二极管加载加热器提供独特的电气特性，适用于先进的驱动方案。

折叠金属加热器实现最高效率，Pπ低于2 mW。
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! p; ^+ {! F- J* E0 h" @随着硅基光电子技术的不断发展，了解效率、带宽、制造复杂性和其他因素之间的权衡对于为特定应用设计最佳相移器至关重要。无论您是在开发光开关、可编程光子线路还是新型通信系统，选择正确的相移器设计都可能对整体系统性能产生显著影响。

, m* |8 h0 [4 f$ z, @; x参考文献
+ a( E  a- E  J[1] Y. Fang et al., "Comparison of thermo-optic phase shifters in imec's silicon photonics platform," unpublished.
' B7 j7 ]2 L- V( [/ q- V; y8 S; M* J& E
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