超高效率硅基光电子谐振调制器

逍遥设计自动化

引言
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

& e! d% L: ~' s. X" G1 M5 G4 e0 y
  Z6 e! Q; a, c0 ^( z$ L器件架构与制造
  O/ k0 m4 S+ }3 v6 x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。

dzydr1zzd2j64033154926.png

; a; V3 H# _7 T0 E7 X$ W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。
$ f. q% o5 V- m$ ^9 F0 G1 s
热管理与效率
" i! u: G' G/ U- ^; s, l% p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。
. J2 {! F, `8 s( W
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：
# p6 F2 ~3 y8 r; M' v, B$ n# P功耗(Pπ)为8.4 mW
1 r' \+ n% k+ |  E: k0 g8 B, g4 d1 u工作电压(Vπ)为2.7 V
调制效率约60 pm/V
热效率为0.67 mW/nm

1 ?! p+ X4 `' k# r: g9 w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。

制造工艺与创新
8 n5 q7 G* d" [  S) e; o% t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
( q/ C# W7 H' T2 l; e) }$ x. `使用掺杂硅电阻集成微加热器
/ ^4 \  K6 W* ]实现100纳米宽硅刻蚀以隔离加热器
0 I/ H+ h9 K5 `: G6 C4 Y3 p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
5 S" G9 x8 T8 N1 M% a3 t% Z3 h0 T4 L
$ o7 k& @5 K1 n" @- W) `未来展望
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。

9 m/ i/ n, \+ K, H5 B总结
1 k; ]. n0 T) n1 _& U: B0 c8 `7 V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。

参考文献
[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.

END
5 V) |) b/ T. Z; ?( q8 S
& P* k1 d1 q6 o: q
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 w0 H9 t1 a0 T) @3 k9 B- Q% Q9 h8 M8 f点击左下角"阅读原文"马上申请
7 n9 v- F: r+ G" g2 K2 u1 V1 o9 L
欢迎转载
2 [) i% e2 M% P- n
: Z$ q9 S0 \8 D4 i' n( B1 H转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
  [  Y2 s' X1 [9 d8 a% o
4 a' O8 P: P4 M; L5 W# E3 Y  G
3 {& K: o+ y/ f* A0 }9 a7 n

tvj0vprpuht64033155026.gif

; _8 |$ j) X) |
关注我们

( |3 I4 V* `4 r. o0 y, n* g( D ofzyttl01xh64033155126.png 1 L5 N# }) d+ o! \, d5 n; F

0ciluq5m3vv64033155226.png . q+ ?' H1 ^2 ^4 \+ h, J

5 Q2 I3 G: e. y& G' L  M& ? qhu3rr11a0o64033155326.png

                     
. W- t! y. y! }# m% m) O3 W
( d) M5 ], b& ~8 @
) s5 v" B* Q8 P/ [
3 A4 u- Y/ P- s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。

( c3 \8 k/ f) u) A8 Chttp://www.latitudeda.com/
) Y/ e5 `1 k) k6 x8 B$ q0 A7 A8 T（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）