高度可调谐性光电子集成线路工艺中的二氧化硅优化技术

逍遥设计自动化

引言
光电子集成线路已经在数据通信、生物传感和激光雷达等领域取得显著进展。在这些应用中，实现可调谐和可重构的光电子器件是一个主要挑战。虽然热光效应通常用于实现可调谐性，但传统的光学材料（如二氧化硅和氮化硅）的调谐范围有限。研究人员通过感应耦合等离子体化学气相沉积(ICPCVD)二氧化硅，发现了一种新的方法来实现光电子器件的高度可调谐性[1]。

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材料创新带来的先进调谐能力
光电子平台的热调谐性取决于多个关键因素：材料的体积膨胀、温度引起的折射率差异、波导路径变化以及核心层与包层材料之间的应变。研究表明，通过精确控制ICPCVD中的沉积条件，可以在不影响光学性能的情况下，实现对这些特性的显著控制。

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9 _# e5 E8 a% y+ U) V图1. 展示了(a)具有正、零和负失谐的不同包层的集成，(b)热位移公式，(c)包层形态分析，(d)化学成分变化，以及(e)在不同压力下通过扫描电镜图像展示的包层各向异性。
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+ R1 N/ z9 G) c3 P5 \这项创新的核心在于ICPCVD过程中各种参数的精确调控。通过调节腔室压力（2.5至12 mTorr）、沉积温度（75°C至300°C）和气体比例，研究人员可以精确控制薄膜的形态、密度和化学成分。扫描电镜横截面显示，在不同腔室压力下，薄膜结构呈现出明显的差异性，证实了各向异性的变化。
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突破性能成果
3 Y, G4 p& t4 s" Q* S1 \" u. M4 @研究团队在多个光电子平台上展示了显著结果。使用半径120 μm、波导宽度750 nm和间隙850 nm的光学环形谐振器，实现了对热响应的精确控制。
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图2. 全面的性能数据，展示了(a)不同沉积温度下的波长位移，(b)不同腔室压力下的热光可调谐性，(c)不同温度下的波长谱，(d)谐振波长失谐比较，(e)硅绝缘体上硅的性能，以及(f)氮化硅平台的结果。

1 F' F3 R9 n- a在150°C的沉积温度下，通过改变腔室压力，实现了从+29.5 pm/°C到-118 pm/°C的热位移范围。更值得注意的是，在300°C和12 mTorr腔室压力下沉积ICPCVD SiO2时，在a-SiC平台上记录到-138 pm/°C的热位移，对应的dneff/dT值为-2.2 × 10-4，比标准器件提高了五倍。

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新型器件应用
这项新技术使创新器件配置成为现实。一个重要突破是使用具有负热调谐性的单层包层开发耦合谐振器光波导(CROW)器件。

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) S8 @, A* L0 a图3. 展示了(a)具有双向热响应的CROW谐振器，(b)不同温度下的传输谱，(c)双向包层的制造方案，(d)连接环形谐振器的光学显微镜图像，以及(e)对施加电压的谐振波长响应。
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热隔离创新
* ^3 l# [3 V1 b/ S% _% S3 E/ Y' U- t研究团队开发了器件间热隔离的创新方法，这对光电子器件的高密度集成极为重要。

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9 @6 ]6 f/ }' S* I8 B图4. 展示了(a)具有连续和剥离包层配置的环形谐振器器件，(b)不同包层类型的失谐响应，以及(c)相邻环之间的热串扰分析。
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通过低温ICPCVD工艺将包层限制在波导周围4 μm的区域内，实现了显著的热隔离效果。在标准PECVD包层中，相邻环A和B的热响应分别为18.5 pm/mW和1.5 pm/mW。新的ICPCVD剥离方法将环A的热响应提高到42 pm/mW，同时有效消除了环B的热位移。这一成果使相距仅10 μm的环形谐振器实现热隔离，这在标准PECVD包层中是无法实现的。

这项技术在保持优良光学性能的同时，实现了对热特性的精确控制。其与现有制造工艺的兼容性以及在单个芯片上实现正负热响应的能力，使其在光计算、电信和传感系统等工业应用中具有重要价值。
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参考文献
[1] B. Lopez-Rodriguez et al., "Magic Silicon Dioxide for Widely Tunable Photonic Integrated Circuits," ACS Photonics, Feb. 2025, doi: 10.1021/acsphotonics.4c01373.
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