IMEC iSiPP200硅基光電子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的熱光相移器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
$ U" ~% C3 e% d: z: F9 x硅基光電子正成為集成光線路的關(guān)鍵技術(shù)，具有與CMOS兼容和占用面積小的優(yōu)勢。在許多硅基光電子應(yīng)用中，如光開關(guān)、通信和可編程線路，熱光相移器扮演著核心角色。本文將探討在imec的iSiPP200硅基光電子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的各種熱光相移器的設(shè)計(jì)、特性和性能指標(biāo)。
- D) ^8 |1 H/ H) T% A% o6 ^- i
( c& _" p1 W2 W! ]. Y8 V熱光相移器利用硅的高熱光系數(shù)來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的相位變化。通過局部加熱硅，我們可以改變其折射率，從而改變通過的光的相位。本文將探討不同的加熱器設(shè)計(jì)，討論熱隔離對效率和帶寬的影響，并提供選擇最合適相移器的見解[1]。


5 L. C! b4 x* V" E
2 t( ?  `- P3 Q  e( M! }& j相移器設(shè)計(jì)
讓我們首先來看看在imec平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的各種相移器設(shè)計(jì)。


  h# S$ F5 i7 S" }. T5 N; U0 w' N" r圖1
  D9 a" ^& G$ t: q% r" C1 T+ y- G
圖1展示了幾種關(guān)鍵設(shè)計(jì)：
+ h+ p0 @" z) }, Y4 v1. 摻雜硅側(cè)加熱器
2 i8 C) O4 r4 r0 C0 K# Xa) 帶襯底刻蝕（圖1a1）
% Q" j! l$ a5 r3 {! q& Ib) 不帶襯底刻蝕（圖1a2）

4 W$ o9 _0 l6 @, j6 m) }. ?6 c這些加熱器使用P型摻雜硅作為淺刻蝕肋型波導(dǎo)旁的電阻。摻雜增加了導(dǎo)電性，允許通過電接觸流過電流。
; c8 o" T0 V! u* R6 b2 u7 Z6 X2 ^+ `
/ j/ ?; l+ F$ N2. 摻雜波導(dǎo)
a) 橫向電流注入（圖1b1）
b) 縱向電流注入（圖1b2）

$ g: f; ~3 e& ^7 v0 J* P這些設(shè)計(jì)使用深刻蝕肋型波導(dǎo)作為電阻。在橫向注入設(shè)計(jì)中，電流直接流過波導(dǎo)�？v向設(shè)計(jì)使用側(cè)加熱器和中央波導(dǎo)形成電路。

3. 二極管加載加熱器
- i: L* i* ~1 J+ t+ t8 G9 g! qa) P型二極管加載（圖1c1）
b) N型二極管加載（圖1c2）
- i. i  N; f3 S* x2 C# b7 m
這些加熱器使用全刻蝕條形波導(dǎo)，通過選擇性摻雜在加熱器內(nèi)部創(chuàng)建PN結(jié)。
: b9 q: n7 f! j, B
4. 金屬頂部加熱器
) J6 P" [& c/ z8 Wa) 單線加熱器（圖1d1）
- R" ]4 s6 L9 B1 ub) 折疊鎢加熱器（圖1d2）

這些設(shè)計(jì)使用放置在波導(dǎo)上方的金屬電阻，折疊版本旨在提高效率。
9 e9 r5 A1 u! ^# B5 Q( J" S9 E
測量方法
為了表征這些相移器，研究人員采用帶有標(biāo)準(zhǔn)2×2多模干涉儀（MMI）的非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）。主要使用兩種測量方法：

  u% k) h0 C* \5 b0 J1. 效率測量

圖2

如上圖2a所示，此方法包括：
, S" n/ Y( j7 B) y* S5 j) c

使用光柵耦合器將光耦合到MZI中

通過掃描直流電壓驅(qū)動(dòng)加熱器

同時(shí)監(jiān)測電流和光輸出功率
$ V8 [, E' O; E
2. 帶寬測量
; I, K" U' f8 G. R+ e- @上圖2b展示了帶寬測量設(shè)置：

使用函數(shù)發(fā)生器在不同頻率注入射頻信號(hào)

將光耦合到光電探測器

調(diào)整直流偏置到正交點(diǎn)以獲得最大調(diào)制幅度

掃描頻率以構(gòu)建波特圖
3 x) {& s" q. T' K5 @# ]) z
' Z/ \$ C8 G; I( y7 K這些測量技術(shù)允許對相移器的性能進(jìn)行全面表征。
" ~9 h' u  E4 y7 s
$ B; @) H: V1 I; @8 ]7 l1 }1 T性能分析
3 B+ k) X/ {0 t1 j1 ?7 K現(xiàn)在，讓我們檢查每種相移器設(shè)計(jì)的性能：

. p3 O. j" A5 I) O, ~- B3 l# T3 ]1. 摻雜硅側(cè)加熱器
- L) a. ^0 x! S( z" x
圖3展示了通過襯底刻蝕進(jìn)行熱隔離的顯著影響

9 l) N( g# h' B6 Z, H主要發(fā)現(xiàn)包括：

對于28 μm加熱器，π相移所需功率（Pπ）從35.16 mW降至13.20 mW，效率提高了2.7倍。

將加熱器長度從28 μm增加到53 μm進(jìn)一步將Pπ降低到8.92 mW，效率提高了1.48倍。

較長加熱器效率提高的原因是襯底移除的相對面積增加，有助于將熱量限制在波導(dǎo)周圍。

% N6 B5 E  F+ P+ f: J" y; t2. 二極管加載加熱器

7 R5 E! ?  B9 R7 u  P圖4
4 a( ^! B4 l4 g
2 X# S. p+ \' g7 v) d+ E! s圖4揭示了二極管加載加熱器的有趣特性：
5 G: ?9 R+ ^2 C! _( p  B$ a$ F

P型和N型二極管加載加熱器都觀察到明顯的二極管I-V曲線。

在擊穿電壓（-3 V）以下，反向電流可忽略不計(jì)。

所有二極管顯示相似的閾值電壓，約為0.8 V。

在±3 V范圍內(nèi)操作允許在矩陣尋址方案中進(jìn)行選擇性激活。

這些特性使二極管加載加熱器特別適用于大規(guī)�？删幊叹�路，為脈寬調(diào)制（PWM）或復(fù)用驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了機(jī)會(huì)。

. G% K( {) u% q( B3. 摻雜波導(dǎo)
" {" V5 Q9 b+ R3 e0 C7 P. n. _
/ T5 N9 s! [; \: L圖5
* P% r; J0 u3 r0 O
圖5比較了橫向和縱向注入摻雜波導(dǎo)的帶寬：
9 Y  i( `# Q4 d3 Y4 `" U

橫向注入（圖1b1）在沒有熱隔離的情況下實(shí)現(xiàn)了18.73 mW的Pπ。

縱向注入（圖1b2）由于加熱更大的體積，需要更高的功率（Pπ = 32.43 mW）。

橫向注入波導(dǎo)的-3 dB帶寬（139 kHz）是縱向注入波導(dǎo)（41 kHz）的3.4倍。
6 A) h8 C! X3 X4 W
這種帶寬差異可以用簡化的熱阻-熱容（RC）模型來解釋。橫向注入波導(dǎo)具有較小的熱阻和熱容，導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)較小，從而帶寬更高。

4. 金屬頂部加熱器
7 _5 \1 k0 x; G/ j# Z7 d2 `
圖6

圖6比較了單線和折疊鎢加熱器：

單鎢線：Pπ = 6.6 mW

4條折疊鎢線在5×折疊波導(dǎo)上方：Pπ = 1.97 mW
- r- j2 {- Z  |( |0 y
  |2 x0 p5 V7 Z折疊設(shè)計(jì)通過使同一波導(dǎo)多次穿過加熱體積顯著提高了效率。

, x$ e* w1 v9 h/ q設(shè)計(jì)考慮和權(quán)衡
在為應(yīng)用選擇相移器設(shè)計(jì)時(shí)，請考慮以下因素：

1. 效率與帶寬
+ j: t' T4 L  v9 s' m較高的效率通常以降低帶寬為代價(jià)。例如，雖然襯底刻蝕結(jié)構(gòu)大大提高了效率，但可能限制熱量散失并降低帶寬。根據(jù)應(yīng)用的速度要求進(jìn)行選擇。
9 T6 G, r# V2 @5 p8 ]: U! x
$ w7 b3 Q. Z; b2. 功耗
) L1 p2 `, z% T1 M+ v在大規(guī)模線路中，功耗變得至關(guān)重要。折疊金屬加熱器和襯底刻蝕結(jié)構(gòu)提供最佳效率，但可能更難制造。

" k6 u! @2 m, @7 K2 N, Z3. 制造復(fù)雜性
. U8 K  N+ {. ~# Y# G+ ^+ v一些設(shè)計(jì)，如襯底刻蝕結(jié)構(gòu)或折疊波導(dǎo)，可能需要額外的加工步驟。評估性能增益是否證明增加的制造復(fù)雜性是合理的。
5 i; O) ?+ \# r" L1 K
4. 電氣特性
: y7 _3 C8 C" q! D( @二極管加載加熱器提供獨(dú)特的電氣特性，適用于矩陣尋址和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方案。如果您正在設(shè)計(jì)大規(guī)�？删幊叹�路，請考慮這些因素。
  u! {: A" t/ i9 e% G/ C% P
) r7 X5 @1 V9 d( i% z7 J2 }5. 熱串?dāng)_
在密集的光子線路中，相鄰相移器之間的熱串?dāng)_可能很大。襯底刻蝕結(jié)構(gòu)可能會(huì)加劇這個(gè)問題，因此可能需要適當(dāng)?shù)臒岣綦x策略。
* ~# Q: q4 i9 O' j+ a
: }7 L+ f9 @6 c8 y" m1 d6. 可靠性和壽命
+ p) l, C% u7 f. ]5 z" S* z: }金屬加熱器隨時(shí)間可能容易發(fā)生電遷移，可能影響長期可靠性。在某些應(yīng)用中，摻雜硅加熱器可能提供更好的長壽命。
  s+ _! V5 q* C4 z" ^6 k+ B
/ m, J1 i1 y7 z7. 驅(qū)動(dòng)電子器件
不同的加熱器設(shè)計(jì)可能需要特定的驅(qū)動(dòng)電路。例如，二極管加載加熱器需要雙極驅(qū)動(dòng)器，而電阻加熱器可以使用更簡單的單極驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)論
! V4 O7 _* r$ R; Q+ V0 `4 B" h  L熱光相移器是現(xiàn)代硅基光電子線路中不可或缺的組件。本文探討了在imec的iSiPP200平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的各種設(shè)計(jì)，包括摻雜硅側(cè)加熱器、二極管加載加熱器、摻雜波導(dǎo)和金屬頂部加熱器。

& ?" h2 d9 [+ y; `8 V, f% Z主要要點(diǎn)包括：

襯底刻蝕可以將加熱器效率提高2.7倍。

摻雜波導(dǎo)中的橫向電流注入比縱向注入提供1.73倍更好的效率和更快的響應(yīng)。

二極管加載加熱器提供獨(dú)特的電氣特性，適用于先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方案。

折疊金屬加熱器實(shí)現(xiàn)最高效率，Pπ低于2 mW。
6 N7 @! n. y, H9 Z9 L4 d' @
: c, v9 _3 _& P5 L, A隨著硅基光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，了解效率、帶寬、制造復(fù)雜性和其他因素之間的權(quán)衡對于為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)最佳相移器至關(guān)重要。無論您是在開發(fā)光開關(guān)、可編程光子線路還是新型通信系統(tǒng)，選擇正確的相移器設(shè)計(jì)都可能對整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著影響。

參考文獻(xiàn)
[1] Y. Fang et al., "Comparison of thermo-optic phase shifters in imec's silicon photonics platform," unpublished.

- END -

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