超高效率硅基光电子谐振调制器

逍遥设计自动化

引言
, U9 ?  ], J9 \! }- b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。

fsp4ud45m5v64033154825.png

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。
' ], V* Z0 |( }$ k8 `2 H, a: M

dzydr1zzd2j64033154926.png

: u4 q& l5 @: Z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。

( B  p6 [& S; P6 X- w7 O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。

6 G+ {+ [$ V6 V/ t+ E/ @性能特征
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：
功耗(Pπ)为8.4 mW
0 R/ l: b; ~7 X) _0 B2 b工作电压(Vπ)为2.7 V
- @* c7 T; v6 G5 W1 }, R6 \6 g; M调制效率约60 pm/V
热效率为0.67 mW/nm

1 N$ C* R5 a( g; ?* Z* Y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。
, {; P! M5 e( e8 `* n$ T& |
制造工艺与创新
- r" f0 a! y% v) B$ W" q3 F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：
在器件周围定义沟槽开口
使用掺杂硅电阻集成微加热器
! L: E8 N, _; h实现100纳米宽硅刻蚀以隔离加热器
) M& A, ]" ~; D" k+ O) s6 V. P7 S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
使用气相二氟化氙刻蚀进行最终释放
! J, y; M5 f9 W2 ]1 s, P$ y( D
未来展望
0 p; f" u8 q9 `% R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。
/ D! z$ i* p+ Q
: d4 ~' ?9 j- ]7 E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。
1 q$ ?0 P3 x9 c& Q# _6 M
参考文献
. \" u5 U- @  h& b% q. ^3 \" m- k) {[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.
' ]" f# a6 ?/ w! C5 e6 `  S! J
END


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。
1 \7 m! _6 N2 ]3 T- e点击左下角"阅读原文"马上申请
0 ]5 K* E) Q' M' L2 L+ e
欢迎转载

5 n4 a2 d5 |; G( ~0 r转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！


( x  t8 X  r6 ?6 }- X

tvj0vprpuht64033155026.gif

关注我们

9 r" Q$ n6 V7 a1 N5 O# S/ a ofzyttl01xh64033155126.png * I; j" K- q, v& x3 R# z( c! x  ]6 N

0ciluq5m3vv64033155226.png & E% m6 I7 k$ f) u

8 o7 m- Y2 b6 w# v& T) q8 S qhu3rr11a0o64033155326.png % m! ?3 i; S- m4 t" e* \( [

                     


1 N& p" k+ ~+ E
关于我们：
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。

http://www.latitudeda.com/
! Y6 J, E$ s+ o* l/ |) g; A8 P（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）