超高效率硅基光电子谐振调制器

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子互连正在通过高数据吞吐量和低功耗的特点，推动着数据通信技术的革新。在这些系统中，谐振调制器在密集波分复用(DWDM)链路中发挥着核心作用。这些调制器结合了波长选择性、小型化和能源效率三个特点，对下一代光通信具有重要意义。

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器件架构与制造
; E. j  l7 x& l8 V垂直结微盘调制器的开发代表了硅基光电子技术的重大进步。这些器件在300毫米CMOS晶圆厂制造，与现有的半导体制造工艺完全兼容。这项创新的关键在于选择性衬底凹蚀工艺，显著提高了热效率。

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图1：微盘调制器的全面展示：(a)显示凹蚀沟槽开口的器件布局和完全释放器件的扫描电镜图像，(b)硅图形化后的微盘调制器扫描电镜图像，(c)温度灵敏度仿真显示80度范围内的π/2相移，(d)释放器件的光学显微镜图像，(e)显示60 pm/V调制效率的电光耗尽响应，(f)显示宽自由光谱范围和Pπ = 8.4 mW的热光响应。
0 w. }9 x9 a9 D( D% b: ?, `
7 t8 [) z: |$ G, ]. J; t' @2 i6 Q热管理与效率
硅基光电子器件面临的主要挑战之一是热管理。硅的强热光系数需要精确的温度控制以保持稳定运行。传统方法依赖集成微加热器，但这些加热器通常消耗约25 mW功率，对低功耗应用不利。本设计的突破在于选择性衬底凹蚀工艺，将热调谐效率提高了三倍以上。
; I6 A+ x0 W* m3 G# G, [9 v4 ^
2 O# B: L1 O) n# a" L$ [( X性能特征
# Q! o7 U' H8 p' i8 q) b$ Q该器件实现了显著的性能指标。对于半径4.5微米的代表性器件，主要热学指标包括：
1 E' }, ?# i7 d! x功耗(Pπ)为8.4 mW
" S, a2 y. @! U. F/ ?工作电压(Vπ)为2.7 V
' \4 M: \4 G# \8 I调制效率约60 pm/V
9 ^0 E+ w+ l* {热效率为0.67 mW/nm
: V% _# E4 f" @5 Y. c# z
9 w5 M- c& D, P- z& ~& \垂直结设计使结与光学回廊模式之间的重叠最大化，在保持CMOS兼容电压水平的同时实现了优异的调制效率。设计包括盘内部的掺杂硅电阻，以及100纳米宽的全硅刻蚀，将加热器与结接触隔离。
  |" b4 d/ W+ z9 b$ y( B0 l
7 n% w, E' F$ q; O( r制造工艺与创新
; a) \" t5 [( }1 _4 h# q4 @制造工艺包含多个在晶圆级别执行的复杂步骤。器件通过AIM Photonics在300毫米晶圆上生产，特别考虑了凹蚀工艺。工艺包括：
+ C3 a+ a: i' I9 m9 f8 {在器件周围定义沟槽开口
" W3 d& A" }0 J% O使用掺杂硅电阻集成微加热器
& W. H# s1 U+ N实现100纳米宽硅刻蚀以隔离加热器
使用感应耦合等离子体反应离子刻蚀进行选择性衬底凹蚀
/ o# [: B8 \6 r" \, f使用气相二氟化氙刻蚀进行最终释放
! ?  [! z! j0 {: C9 d
7 C0 \5 w2 c" y未来展望
仿真结果表明，通过加热器几何结构优化，下一代设计的功耗可进一步降低到约3 mW，比当前标准提高了10倍。高效率、小型化和宽自由光谱范围的结合，使这些器件在未来DWDM硅基光电子链路中具有重要应用价值。

总结
谐振调制器设计的创新标志着硅基光电子技术的进步。在保持CMOS兼容性的同时实现了记录性的热光效率，为高并行DWDM链路和光电共封装创造了新机遇。
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参考文献
[1] Rizzo, V. Deenadayalan, M. van Niekerk, G. Leake, C. Tison, A. Novick, D. Coleman, K. Bergman, S. Preble, and M. Fanto, "Ultra-Efficient Foundry-Fabricated Resonant Modulators with Thermal Undercut," in 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), 2023.

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