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
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(shì)。在許多硅基光電子應(yīng)用中，如光開(kāi)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)。
) ?# [7 D7 g) H$ s4 x& h  i1 X
熱光相移器利用硅的高熱光系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的相位變化。通過(guò)局部加熱硅，我們可以改變其折射率，從而改變通過(guò)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(duì)效率和帶寬的影響，并提供選擇最合適相移器的見(jiàn)解[1]。
2 p: }, B. A- b2 ?, h1 B


相移器設(shè)計(jì)
# K. H0 X  g* }) ]讓我們首先來(lái)看看在imec平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的各種相移器設(shè)計(jì)。


4 s/ |2 \& W0 P( M' l, Z圖1

* |" V9 O/ ]4 j/ f圖1展示了幾種關(guān)鍵設(shè)計(jì)：
1. 摻雜硅側(cè)加熱器
" W" f4 i/ R$ q  r1 t- {a) 帶襯底刻蝕（圖1a1）
b) 不帶襯底刻蝕（圖1a2）

4 E4 Q  I& F5 \) n  y  q% ~! R. }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(guò)電接觸流過(guò)電流。

2. 摻雜波導(dǎo)
2 z, S  f- h4 T# b* s+ Z7 l0 `a) 橫向電流注入（圖1b1）
( _6 k" v. w+ y; @. xb) 縱向電流注入（圖1b2）
; Z' f% ^5 h, M1 k7 I
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(guò)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。

# V! s+ `% X: q; m3. 二極管加載加熱器
5 I; W0 w3 `0 \4 i8 _6 ha) P型二極管加載（圖1c1）
b) N型二極管加載（圖1c2）
0 q+ h; P6 p) ]& m
7 C$ B) S& Z; `5 g8 n9 U7 c" b這些加熱器使用全刻蝕條形波導(dǎo)，通過(guò)選擇性摻雜在加熱器內(nèi)部創(chuàng)建PN結(jié)。

4. 金屬頂部加熱器
; H* C1 a. o" x3 na) 單線加熱器（圖1d1）
b) 折疊鎢加熱器（圖1d2）

+ R' z4 ?8 E2 y; l$ P: c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。
: n; }/ H  K6 G( N1 _7 N
測(cè)量方法
1 {. H4 _1 Y' L' r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(duì)稱(chēng)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）。主要使用兩種測(cè)量方法：

1. 效率測(cè)量
7 _& G# ~, C0 w) ?: Z' g* Q: @: i/ t
圖2

+ C3 v5 ~1 V1 k0 z0 `如上圖2a所示，此方法包括：

使用光柵耦合器將光耦合到MZI中

通過(guò)掃描直流電壓驅(qū)動(dòng)加熱器

同時(shí)監(jiān)測(cè)電流和光輸出功率
4 u$ Z* D& M5 m; X
5 }( e9 a4 o5 B2 q) N# u3 W2. 帶寬測(cè)量
上圖2b展示了帶寬測(cè)量設(shè)置：
' f* G( m! |% B* p. u! @& I6 A( v

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(cè)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
; N9 {& X9 G& F9 k( V. i( {
這些測(cè)量技術(shù)允許對(duì)相移器的性能進(jìn)行全面表征。

性能分析
現(xiàn)在，讓我們檢查每種相移器設(shè)計(jì)的性能：
. M  ~! t6 b$ T0 @6 X" X
: l% ^, f6 n, G# N7 c8 I1. 摻雜硅側(cè)加熱器

8 x6 M: E2 G) |+ m4 h2 Q6 }& N. I' S圖3展示了通過(guò)襯底刻蝕進(jìn)行熱隔離的顯著影響

+ h0 y4 ~2 N7 V: q4 R主要發(fā)現(xiàn)包括：
$ z+ l1 I. O3 G

對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)加熱器效率提高的原因是襯底移除的相對(duì)面積增加，有助于將熱量限制在波導(dǎo)周?chē)��?font class="jammer">/ m# h& K0 {( g; y& x- A: W. K

2 Q& l; h6 D/ s; k6 a6 _8 [2. 二極管加載加熱器

圖4
: h/ V5 A& T% R6 |4 @: ?: Q( @
圖4揭示了二極管加載加熱器的有趣特性：
, b5 V$ `' H' \5 \6 I& J

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。
5 b5 _$ L/ I# n9 ?2 e! D6 l+ X
4 k! v7 u/ U& O- m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)。
! q$ N1 v3 g; }3 ~2 N, a
! R3 G9 m( ~9 Q3. 摻雜波導(dǎo)

圖5
% |# q; i. _3 _0 S2 @+ L3 @/ {
圖5比較了橫向和縱向注入摻雜波導(dǎo)的帶寬：
( e) V0 V5 N5 m

橫向注入（圖1b1）在沒(méi)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。

: p: T# C5 j; V( e9 q0 ?! U& `這種帶寬差異可以用簡(jiǎn)化的熱阻-熱容（RC）模型來(lái)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
$ i2 T+ _& ~7 D! L0 m( g4 l
圖6

" y# s  R' r- A" |* S, x* w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
* T5 h! T  z" L5 |& Y- X5 ]
# _# m- N) Z6 c: @! T折疊設(shè)計(jì)通過(guò)使同一波導(dǎo)多次穿過(guò)加熱體積顯著提高了效率。
; j( g+ q7 D, e2 X. s
- x/ N! y9 l2 s$ t/ r' Z+ a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(qǐng)考慮以下因素：
1 n2 M* B' c) e; s- [* T1 e' D; l
1. 效率與帶寬
3 B+ ?& |; g( p0 `0 ~) C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。

2. 功耗
1 w/ g6 K( ~3 k8 C- ~. a, ^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。

4 X0 q3 y0 m" A" Y/ z3. 制造復(fù)雜性
5 |9 [2 N% A! v( T+ I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(píng)估性能增益是否證明增加的制造復(fù)雜性是合理的。
- q$ H1 B  b& D
! i6 c( H. n7 s% t- t5 Q4 S( a4. 電氣特性
3 t) s" Y3 A& C. w% J4 M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(qǐng)考慮這些因素。
9 J5 J* m2 O5 c! E. x! S
5. 熱串?dāng)_
6 c9 @  N! n% c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(wèn)題，因此可能需要適當(dāng)?shù)臒岣綦x策略。

6. 可靠性和壽命
7 i/ ~" k2 g' W# p5 g$ S金屬加熱器隨時(shí)間可能容易發(fā)生電遷移，可能影響長(zhǎng)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(zhǎng)壽命。
! z& Z" @) r3 q4 u; Y8 ^
" i' o$ Q4 }, x" ^7. 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(jiǎn)單的單極驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)論
) m3 _' L2 D1 t5 S( W$ x6 D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。

主要要點(diǎn)包括：
4 i5 o8 E( U8 m: a% v7 t5 Y

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。

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(duì)于為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)最佳相移器至關(guān)重要。無(wú)論您是在開(kāi)發(fā)光開(kāi)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(duì)整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著影響。

1 W. [! s( ?* x( R+ r9 T參考文獻(xiàn)
* `0 ^3 q; L/ c, u& F" I[1] Y. Fang et al., "Comparison of thermo-optic phase shifters in imec's silicon photonics platform," unpublished.

9 n9 F2 |, N; ~, l- END -
6 H* A7 v  G; q
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