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
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。
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$ j3 q* c  I; [2 g: {2 [3 \& j& D+ u热管理与效率
. [3 ~$ Y8 ^. j- [. m" i) s# {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。
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性能特征
7 c- v! {5 k% Z* T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：
0 v+ h+ Q  D; C9 H* ^功耗(Pπ)为8.4 mW
工作电压(Vπ)为2.7 V
调制效率约60 pm/V
热效率为0.67 mW/nm
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& q4 g! e* s7 q* G' I5 h- Q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。

! u& N4 c# t. i( t$ n/ v6 C制造工艺与创新
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：
% Y) N& h3 |2 I' l3 r在器件周围定义沟槽开口
. j0 `8 M% Q6 \' }- a使用掺杂硅电阻集成微加热器
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
( r* }6 B- M* o8 o( ^使用气相二氟化氙刻蚀进行最终释放

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。
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2 c5 x" u/ x7 q总结
, P+ ^1 m9 j/ B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。

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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