硅光学习-34-硅光子集成芯片设计
该硅基光子集成电路采用绝缘体上硅(SOI)平台构建。为实现单根光纤上的高聚合数据传输，采用了八通道波分复用设计，图1展示了该芯片的俯视示意图。图1、基于绝缘体上硅(SOI)衬底的硅光子集成芯片示意图其中包括一个1:8解复用器、8个高速硅基马赫-曾德尔调制器(MZM)以及8:1复用器构成的光学系统。如图所示，连续波(CW)多波长激光束首先通过解复用器进行分束，每个波长分别传输至对应的调制器。各波长通道中的连续光通过MZM进行幅度调制，从而将高速信号编码到光波上。调制器输出端连接复用器，将八个波长重新合路至输出波导实现芯片耦合。在此概念验证型发射器中，激光源尚未集成至硅芯片。虽然该实施方案并非最终解决方案，但为全光子集成迈出了第一步。未来图中的解复用器可由单片集成在芯片上的混合激光器阵列替代，以实现完全集成的发射器方案。光子集成电路(PIC)的首个关键组件是高速硅基马赫-曾德尔调制器(MZM)。其工作速度与波长通道数量共同决定了芯片的总数据传输容量。要实现>100Gb/s的传输速率，关键在于设计数据传输能力超过10Gb/s的高速调制器。这里选用的硅调制器设计基于自由载流子等离子体色散效应，该效应通过改变自由载流子分布来调控材料折射率，从而改变通过光的光学相位。硅材料中吸收系数变化(Δα)与折射率变化(Δn)与电子浓度变化(ΔNe)、空穴浓度变化(ΔNh)的关系，通常由Drude-Lorentz方程描述：其中e代表电子电荷，c为真空中的光速，ε0是真空介电常数，λ表示真空中的波长，n为本征硅的折射率，me∗和mh∗分别为电子与空穴的有效质量，μe和μh则对应电子与空穴的迁移率。在波长为1550nm时，折射率变化与自由载流子密度变化（单位：cm−3）的经验关系式为：这种光相位偏移或调制随后可通过马赫-曾德尔干涉仪（MZI）转换为所需的光幅度调制。为实现载流子浓度的必要变化，在脊形波导内嵌入了一个PN结二极管，并通过反向偏置驱动以诱导载流子耗尽。由于该器件工作原理基于本征高速的多数载流子动力学特性，其调制带宽可达数十Gb/s。图2展示了该调制器的俯视示意图。图2、硅基马赫-曾德尔调制器的俯视图其采用基于波导的MZI设计，两条干涉臂均配置了PN结二极管相位调制器。该波导具有0.6um脊宽、0.22um脊高及0.5um总高度。建模与实验均证实，此截面尺寸可在1550nm波长附近实现单模工作。MZI的分束器与合束器均采用1×2多模干涉（MMI）耦合器结构。图3展示了移相器的横截面示意图。图3、PN二极管波导移相器示意图。基于共面波导设计的行波电极可实现电波与光波的共同传播。 该结构设有一个水平结区——波导平板层和部分脊型区域掺杂为p型，而脊型结构剩余的上部区域则掺杂为n型。这种设计使pn结及其内置耗尽层略高于光模的中心位置，其目的在于优化相位效率：当施加反向偏置电压时，耗尽层会扩展并扫过模场中心，从而实现良好的电荷-模式重叠。为了在不引入额外光学损耗的前提下实现n型区域的电接触，在脊型结构顶部外延生长了薄硅层，使得用于欧姆接触的金属电极与高浓度掺杂区靠近波导但不会与光模场重叠。为使马赫-曾德尔调制器工作在正交偏置点，MZI的每个臂上都集成了热加热器。需要注意的是，硅材料中正向偏置的PIN二极管也可用于正交调谐，且应能消耗更少的电能。尽管基于反向偏置PN二极管的硅调制器具有较高的本征速度，但实际展示出的器件速度通常受限于器件寄生效应。为降低移相器的电容值，金属接触用的薄硅覆盖层采用了单侧非对称设计。为进一步减小调制器频率响应中的RC限制，采用了如图3所示的基于共面波导结构的行波电极。该"信号"金属层宽度约6um，通过1um接触孔与n型硅区相连。信号层与接地金属层的间距约3um，金属厚度约1.5um。射频行波共面波导与调制器光波导经过精心设计，使电信号与光信号能沿移相器长度方向以相近速度同向传播，同时将射频衰减控制在最低程度。传输线损耗、阻抗与相速度通过商用软件HFSS进行计算，这些参数高度依赖于金属走线尺寸以及硅掺杂浓度与分布剖面。为实现高速性能，还需优化行波电极的终端阻抗以最小化可能影响信号完整性的射频反射，该终端电阻与调制器采用氮化钛(TiN)薄膜单片集成。 多路复用器/解复用器是集成芯片的另一关键组件。在集成光子学中，该器件通常基于阵列波导光栅(AWG)、平面埃歇尔光栅]或级联马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。本研究采用级联MZI设计方案。图4展示了由三级非对称MZI构成的八通道多路复用器示意图。图4、(a) 基于级联非对称1×2马赫-曾德尔干涉仪的1:8解复用器示意图。每个MZI使用1×2多模干涉仪作为输入分束器，2×2多模干涉仪作为输出端。(b) 1:8复用器器件布局的屏幕截图。图中大面积深色区域为金属加热器的走线及焊盘每个非对称MZI包含1×2多模干涉分束器和2×2多模干涉耦合器。第三级MZI的两个臂长差为ΔL，第二级为2·ΔL，第一级则为4·ΔL。为补偿制造缺陷可能导致的MZI相位误差，每个MZI都集成了热调谐加热器。需要说明的是，当前设计中的加热器可用正向偏置PIN二极管替代，未来可能实现更低的功耗。通道波长间隔（Δλ）与ΔL的关系遵循以下方程式：其中λ0是中心共振波长，ng为波导的群折射率，其表达式为：其中neff为有效折射率。由于硅光子集成电路中使用的波导尺寸较小，需谨慎采用基于局域模展开法的全矢量模式求解器对波导的neff和群折射率ng进行建模。该多路复用器设计采用4•ΔL = 97.2μm的参数，以实现1550nm附近波长间隔3.2nm（400GHz）的通道间距目标。对于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的输入（1×2）和输出（2×2）耦合器，多模干涉耦合器（MMI）的宽度均设计为7um。其中1×2型MMI长度为54.4um，2×2型MMI长度则为220um。该多路复用器的性能关键取决于2×2 MMI耦合器的工作特性，因此通过精细建模分析了其在分光比与器件插入损耗方面的波长依赖性。结果如图5所示：图5、模拟了2×2多模干涉耦合器的损耗随波长变化关系。该多模干涉耦合器宽度为7微米，长度为220微米，仿真中采用TE偏振模式虽然分光比对波长变化极不敏感，但插入损耗表现出强烈的波长相关性。因此该多路复用器的工作波长范围主要受限于2×2 MMI的插入损耗特性，仿真结果表明其-0.5 dB带宽约为39nm。 研究还模拟了MMI耦合器的制造公差。图6展示了在1550nm波长下，MMI最佳长度随宽度变化的函数关系。当MMI宽度存在±0.1um偏差时，对应长度变化约为±4%。这样的工艺公差要求通过当代光刻技术完全可以实现。图6、建模优化的多模干涉长度作为1550nm波长下2×2多模干涉耦合器宽度的函数。仿真中采用了TE偏振模式。
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