高性能导电氧化物栅控可调谐硅基微环谐振器
引言硅基微环谐振器（MRRs）是光电子集成线路的核心器件，在光学滤波、电光调制和波分复用等应用中有着广泛应用。制造误差和温度波动带来的敏感性问题是实际应用中需要解决的挑战。本文介绍一种采用高迁移率钛掺杂氧化铟（ITiO）栅控的可调谐硅基微环谐振器，在保持高品质因子的同时实现了优异的电光调谐效率。
1硅基微环谐振器概述硅基微环谐振器具有超紧凑尺寸、低功耗和高带宽特性，是光电子集成线路中的基础器件。这些器件可用于激光发射、电光调制、波长转换和波分复用/解复用等功能。其基本工作原理基于环形波导中光的谐振条件，当满足相长干涉时产生尖锐的谱特征。
硅基MRR的谐振波长易受制造公差和环境条件影响，特别是温度波动。硅材料的热光系数为1.86 × 10^-4 K^-1，使器件对温度变化敏感，导致谐振波长漂移。传统的反向PN结驱动方式电光调谐效率通常低于40 pm/V，不足以补偿温度引起的波长偏移。热加热器虽能控制谐振波长，但功耗达mW/nm量级，且需要额外的控制线路。
2ITiO栅控MOS微环谐振器的结构设计此研究采用金属-氧化物-半导体（MOS）电容器结构，集成高迁移率钛掺杂氧化铟作为栅极材料。图1：ITiO栅控硅基MOS微环谐振器的三维结构示意图和制造细节。图1(a)展示了ITiO栅控Si MOS MRR的三维结构。图1(b)显示了制造器件的光学图像，虚线标出了ITiO栅极的位置。图1(c)呈现了有源区的横截面示意图和光学模式分布。
器件制造基于绝缘体上硅（SOI）衬底。本设计使用10 nm厚的氧化铪（HfO2）替代传统的二氧化硅作为MOS电容的绝缘层，提高了电光调谐效率。ITiO栅极层厚度为8 nm，在保持导电性的同时最小化光学吸收。薄栅极层覆盖微环的有源区，如图1b光学显微镜图像所示。图1c横截面视图展示了施加负栅极电压时的积累层形成过程。电偏置方案在ITiO层中产生电子积累，在硅层中产生空穴积累，导致两种材料的折射率发生变化。这种双重积累机制有助于提高器件的电光效率。
3电学和光学性能特征器件展现出优异的电光性能，实验结果如图2所示。当对ITiO栅极施加负电压时，谐振波长产生蓝移，表明通过等离子体色散效应实现了有效的折射率调制。图2：ITiO栅控MOS Si MRR的实验表征结果。图2(a)不同栅极电压下的归一化传输谱。图2(b)品质因子和波长偏移与栅极电压的关系。图2(c)波导损耗分析。图2(d)热调谐特性。
图2a的传输谱显示，随着栅极电压从0 V变化到-6 V，谐振波长系统性地发生偏移。器件实现了130 pm/V的电光调谐效率，在-2 V到-6 V的电压范围内保持稳定。这一调谐效率相比传统PN结型调制器有显著提升。
图2b的品质因子测量表明，器件品质因子从零偏压时的11,900降至-6 V时的4,700。这种逐渐退化源于较高偏压下ITiO层中光学吸收增加。图2c的波导损耗测量表征了调谐效率与光学损耗之间的关系。随着栅极电压升高，总波导损耗从1.03 dB/mm增加到12.3 dB/mm，主要原因是积累层中的自由载流子吸收。
图2d的温度表征结果显示热光调谐效率为86 pm/K。这一测量为理解器件的温度补偿能力提供了基准。
4温度补偿能力ITiO栅控微环谐振器能够通过电调谐补偿温度引起的波长漂移。图3通过在不同温度和补偿栅极电压下的系统测量展示了这一能力。图3：ITiO栅控MOS Si MRR的温度补偿演示。图3(a)不同温度下具有补偿栅极电压的传输谱，显示了所需电压与温度变化的关系。图3(b)补偿过程中品质因子和消光比的行为。
图3a中的实线显示了温度升高时谐振波长的自然红移，虚线展示了通过施加栅极电压进行的补偿。器件能够有效补偿高达12 K的温度变化，需要的栅极电压最高约为-6 V。插图显示了所需补偿电压与温度变化之间的近似线性关系，有助于控制系统实现。
温度补偿期间，消光比和品质因子经历特征性变化，如图3b所示。由于未偏置器件的初始过耦合条件，补偿后消光比可能提高。品质因子随补偿电压增加而逐渐降低，与较高偏压下光学吸收增加一致。
5功率效率和能耗这种电调谐方法具有出色的功率效率。图4展示了ITiO/HfO2/Si MOS电容器的漏电流特性，在工作电压范围内平均漏电流仅为1.2 pA。图4：ITiO/HfO2/Si MOS电容器的漏电流测量，显示了漏电流与栅极电压的关系，在整个工作范围内极低的电流水平。
极低的漏电流对应11 pW/nm的调谐功率效率，比传统热调谐方法的几mW/nm提高了几个数量级。器件在-10 V的击穿电压下保持稳定工作，为温度补偿应用提供了充足的电压范围。
6材料特性和器件物理该器件的性能源于钛掺杂氧化铟的材料特性。ITiO具有高电子迁移率，通过优化的射频溅射工艺可达105 cm²V⁻¹s⁻¹。与传统透明导电氧化物（如ITO）相比，高迁移率使得在降低光学吸收的同时实现有效的折射率调制。
选择氧化铪作为栅极介电层对实现高电光效率有重要作用。HfO2的高介电常数能够在栅极和硅波导之间实现更强的电容耦合，增强半导体界面处的载流子积累。10 nm的厚度在击穿电压要求和电容耦合强度之间达到平衡。
ITiO和硅中的等离子体色散效应共同贡献于整体折射率调制。在ITiO层中，德鲁德模型描述了载流子浓度与折射率之间的关系，而在硅中需考虑电子和空穴的贡献。对称的MOS结构确保了两种材料中的有效载流子积累，最大化了电光响应。
7应用和发展前景这种可电调谐微环谐振器技术在密集波分复用等需要精确波长控制的应用中具有实用价值。无需热加热器就能补偿温度变化的能力简化了系统设计并降低了功率需求。
未来的改进可包括将波导宽度缩窄至300 nm，可能实现更高的电光调谐效率，能够补偿高达30 K的温度变化。这将满足片上光通信系统中硅基光电子应用的温度调谐范围要求。
ITiO与标准CMOS工艺的集成兼容性使这项技术适用于大规模光电子集成线路。所展示的性能指标表明该器件可用于光互连、量子光子线路和可编程光子处理器等应用。
8结论ITiO栅控MOS硅基微环谐振器实现了130 pm/V的电光调谐效率，同时保持超过10,000的品质因子。这项技术能够补偿高达12 K的温度变化，功率效率达11 pW/nm，比传统热调谐方法有显著改进。高迁移率透明导电氧化物与硅基光电子的成功集成为节能高性能光电子集成线路提供了技术方案。该器件的性能参数表明其在各类光子应用中具有实际应用价值。
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