|
|
引言2 E7 K5 {2 L" }6 k
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。
( F% g9 \ ^, t1 o8 i; W" ~% x; T! \) Z/ s4 _! L/ [
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]。3 n G9 W l+ K% \
5 I$ A. A% m: z9 c8 z4 M( w
p52nuadl4xu6403231629.png
: I( L# }4 \( f4 A6 q/ S; I$ d$ O4 }5 l" {- i! I
相移器设计6 _' q# s# R( w) Y
让我们首先来看看在imec平台上实现的各种相移器设计。: }& v3 s- @8 F
5 ]: g% Z1 {; X' @7 Y) A
gdg5v32xzqo6403231729.png
j8 `" Z8 J( b8 C' ? t, |图1
' R. C$ C' G: y6 M0 w5 ^5 r8 H' s% e; G, k' }& v
图1展示了几种关键设计：* z- h! G: k- l: Z
1. 掺杂硅侧加热器9 B d1 I8 q; d3 g- K1 H' X" M, F
a) 带衬底刻蚀（图1a1）
. G: o- X: S4 wb) 不带衬底刻蚀（图1a2）6 l/ Q j# o9 O
8 H2 Q6 b3 }4 q1 ?2 \. s) W2 h这些加热器使用P型掺杂硅作为浅刻蚀肋型波导旁的电阻。掺杂增加了导电性，允许通过电接触流过电流。
# K4 J! V2 S' j8 Y0 {" a$ R: z1 h: Z
2. 掺杂波导
$ h0 @6 b( o1 [2 sa) 横向电流注入（图1b1）: M- Z7 |2 N6 V# W# w$ z
b) 纵向电流注入（图1b2）0 p" W# N4 h* Q- }+ |7 v$ d
% r) W3 H/ `% O' R2 p4 B4 b
这些设计使用深刻蚀肋型波导作为电阻。在横向注入设计中，电流直接流过波导。纵向设计使用侧加热器和中央波导形成电路。5 C& G) }5 u3 a# d9 j* v- s
/ G9 Z) }2 n1 p: h0 o- C2 H
3. 二极管加载加热器' V" x: W; J. O+ w7 z( O- W
a) P型二极管加载（图1c1）
" v" {. S$ R4 A% a bb) N型二极管加载（图1c2）
" F. u9 ^4 d9 O$ Q: q! a1 k+ ~/ f' M9 y" C
这些加热器使用全刻蚀条形波导，通过选择性掺杂在加热器内部创建PN结。6 o! S' Z! `# K; J, V: {
* X9 X0 l2 q5 G9 Z* D4. 金属顶部加热器" g' A( Z! b: c% V
a) 单线加热器（图1d1）( a( C0 ]+ ~0 K; \) Q* ~7 F
b) 折叠钨加热器（图1d2）% b# ^, L- f$ G
$ V2 W% N* h2 l, G7 f6 Y
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。, M6 T0 d) w, A5 z& L0 C
: `7 C6 o& L9 R7 \3 s* w测量方法
6 S c ?* W- [5 s5 X0 [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：8 j) \2 p# y* W$ @
6 M, [% p$ }: @; v% v1. 效率测量7 c9 L) Y" J* w2 l$ x# E/ U
hszfd0za0sa6403231829.png
, V+ U+ \' ]3 o4 j. |6 s图28 W: G' n; W! q
* k$ x8 `. D2 e9 {) N
如上图2a所示，此方法包括：
, f6 n A; {% ^0 f& A3 p( _. {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3 u. ]( L; C' p" K
# p5 P% ] V) {; l2 Q( `4 f
2. 带宽测量
" `0 z' }% U- x; \ @! T; l上图2b展示了带宽测量设置：$ ]- d: D9 i8 s" ]6 r; D6 H# |+ M: e ]
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+ f! X9 l) H& Y4 v% w
9 c/ F! m" S6 Q5 g. ~
这些测量技术允许对相移器的性能进行全面表征。
' H: d4 F5 P) F2 H( D ]4 n- ?2 [/ _% H+ g9 e4 C
性能分析
. S- e8 e% _! B+ x% o8 X现在，让我们检查每种相移器设计的性能：
2 |4 _* t5 m( h7 {
+ k& K" B! v- s; q: Q1. 掺杂硅侧加热器
+ O; E" M& m1 r5 L: R1 O
dngwrk45ba16403231930.png
" v& ?9 u) F" }3 @, X
图3展示了通过衬底刻蚀进行热隔离的显著影响
$ E8 i+ i+ g" h( ^/ _" s4 J+ Y1 r5 h" u7 ^
主要发现包括：- G' B: U7 y) c& C8 x: \, X7 C" P
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。
: x1 G. e* X3 C2 O/ P/ z) j% ^7 [
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。+ p) [9 b0 i, u4 s
$ O0 `8 P' n' D7 L2. 二极管加载加热器
& b7 B. C! W+ B% k# C' B ^0 t0 ]
rolqgwn2lou6403232030.png
4 f3 N8 J4 L" J0 z; j2 P8 ]图4
1 x2 `% Z0 ?- X) d' i9 [( j$ R7 G4 C6 Q; W, Z$ q+ |5 ]. {
图4揭示了二极管加载加热器的有趣特性：
, q/ `8 n1 Z: z" Q5 x* CP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。
; G; v n, F0 f- ?9 L6 m# ~8 i$ B0 {/ {& l. W" X i" f' n
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。
% T4 I1 u8 @+ T7 V
- z0 }, K1 d% w$ I$ q- O3. 掺杂波导 g" L! c, e2 U: _
guhhiv1iezz6403232130.png
: b" ]+ U; v! J# N. m
图5& `; e" {) ~4 d; S: n
, t8 K O) `5 J n图5比较了横向和纵向注入掺杂波导的带宽：8 h0 _# X( U. l
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。
* q' T4 e. f& W5 V' z
4 n6 J9 M3 b% p; B6 Y4 X. h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。1 ]$ c" ^1 g! _
T+ M' P1 ~2 ^% e9 j9 ~3 \
4. 金属顶部加热器
4 r7 Y" r1 S s, p! }4 d
depvkjyjyt46403232230.png
/ U1 M7 A5 l n$ S+ v: Y/ w L; I7 a
图6
' H, E" H+ v S1 K, m/ Y- {: u( L" I) w% c" E) Q# X4 E
图6比较了单线和折叠钨加热器：
; l% F2 c7 s4 ?( b9 B) H$ s0 L单钨线：Pπ = 6.6 mW4条折叠钨线在5×折叠波导上方：Pπ = 1.97 mW
- F' K- ?; k- y" ]+ l/ Y
; S' C; @% k( e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。
$ x2 ~3 s! B0 U" C# W' M' p u$ g2 P! M8 U& @! k G! S1 l
设计考虑和权衡
: }5 Q1 b* `, \4 M0 L1 O在为应用选择相移器设计时，请考虑以下因素：* B; |5 ]) c( D/ [
, x, z0 G x6 P( v/ E3 R8 ?8 I
1. 效率与带宽
- V6 u+ k" F& J, a5 |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。
4 s9 `; O& q/ `7 Z' Z0 ?! D' S6 U& H& o! T7 w) t
2. 功耗
' ~3 C1 D& k$ T1 x" M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。
. |; F% ?: M( }: P7 h9 I
( j+ P9 r% l# ~" T3. 制造复杂性
u. o! o2 q" V/ |4 z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。1 |+ |9 f; ?7 H3 o' r8 B
: Z& B/ {) |/ L5 I G
4. 电气特性2 ^1 R# S U, r/ ^; Q
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。$ Z( h; [" e* t$ O9 G& t
$ B* ^1 T" l! x( H6 g5. 热串扰$ \& |. y3 Z' i& T, p9 x" X5 e
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。
# x# _8 p4 `0 ~4 l# t9 \0 T
1 H/ x. t1 O, J6 Q P4 w6. 可靠性和寿命
, y; @- r% g! f2 H2 }, l, E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。' _0 U0 g E4 T+ M
* U* X- m9 t8 q) m+ R6 o& R7. 驱动电子器件
5 I" {" D$ u2 E8 a- C, X, r% |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。( p) ^* d, d9 R- i; t5 B4 Q9 u n
- P S$ y4 J+ W) k0 U2 K结论
0 ~. I5 ]/ a/ B7 x K7 \ G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。
+ u9 w# D6 j; E9 ^9 J7 X4 w2 ?# X l* K% _
主要要点包括：5 ] r3 A2 W) x" y t
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。" \8 a: [8 N- M- U
6 b; ]1 o/ k6 z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。% W' t5 y) k$ _2 B3 r
! c8 A! t! O. r1 Z: P/ M' e6 o: a
参考文献
: |+ A1 k# a4 N" e7 w3 g[1] Y. Fang et al., "Comparison of thermo-optic phase shifters in imec's silicon photonics platform," unpublished.7 n2 c1 q c9 t; T F6 P0 n
& Y* t! A: s; s) |+ ^% M
- END -/ G# d$ G! ?: S1 d' u) L7 L
8 C- a% G7 L& D7 c软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。' m0 N0 L& u* J
点击左下角"阅读原文"马上申请
3 J* O8 J* r! q J+ N; F- X) q! w
( l5 s5 i1 g0 m1 G/ o1 ?% f* Q% `5 b" Y欢迎转载7 \% U N% A6 T' G- n3 E2 c
' s- Q% Q1 `1 D0 j( l+ d T
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
" g; h" G6 \) N( K
$ e# e1 v6 O# ~# \& b
$ _3 }; \. S$ T8 j8 t/ r3 W( Q; M7 A, N3 \1 i" `; ?& K6 Q
151ezzfh4zd6403232330.gif
+ S) r9 J4 y8 d
3 t0 W" O0 I: Y1 w5 M* q2 R关注我们1 V- S: D8 A' P+ B
. z7 D4 \5 ?2 g! }+ w* f
( i) _3 A2 ]1 a: `7 e( v! Y
v4o3snb04zv6403232430.png
+ q7 l5 ]4 a6 x8 d: f | , p0 I9 U/ _, u8 L' S
dcu2gkocoac6403232530.png
5 F4 \+ R$ \) |* M" a6 `4 u& Y6 d( G
| $ ^* x) G" c8 Y, s1 v* y+ z/ R6 `
scdismbaeel6403232630.png
9 c8 T# W! j9 x |
# o1 p+ k/ \4 l; d
0 M, z% V0 o* i
$ C/ F* S" F0 D O# ~0 k* O j
: H9 G# [% _" A9 B
关于我们：
% z2 H3 {5 \' t7 i6 n$ {8 ]深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
. w1 z/ P& g7 U! ~ w2 ^3 e
! B' ` y% o& c9 O4 b, f/ fhttp://www.latitudeda.com/
+ |- W% L7 m( v9 H/ `2 o（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容） |
|
电子产业一站式赋能平台
窥视卡
置顶卡
变色卡
