IEEE SiPhotonics2025 | 无需热控的硅基-导电氧化物微环调制器阵列波长控制

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引言

硅基光电子技术已成为高速、能效高的光通信的关键技术。本文探讨了一种突破性的波长分复用(WDM)方法，该方法使用掺钛氧化铟(ITiO)栅极的硅微环调制器(Si-MRMs)，消除了高功耗热调谐的需求[1]。

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硅微环调制器简介

硅微环调制器因其紧凑尺寸、高带宽和相对低功耗，在片上光通信中变得日益重要。这些器件对波长分复用特别有价值，波长分复用技术允许多个数据流以不同波长通过单个波导同时传输。

传统的硅微环调制器面临重大挑战：通常需要热加热器来调节其工作波长，消耗大量功率——通常在每纳米波长偏移毫瓦(mW/nm)量级。这种功率负担在使用多个微环调制器的WDM系统中尤为明显。

这里介绍的创新方法涉及使用带有掺钛氧化铟的金属-氧化物-半导体电容(MOSCAP)结构，通过栅极偏置调谐而非热加热来实现波长控制。这种方法将功耗显着降低到皮瓦范围，同时保持高速性能。

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器件设计与制造

该器件由1×4阵列的ITiO栅极MOSCAP硅微环调制器组成，采用大批量制造硅基光电子工艺制造。阵列包括四个微环谐振器，半径略有不同(6.00 μm、6.02 μm、6.04 μm和6.06 μm)，允许在单个自由光谱范围内工作于四个不同波长。

图1(a)：1×4 ITiO栅极MOSCAP硅微环调制器阵列的光学显微镜图像，插图显示了单个微环调制器的扫描电子显微镜详细结构。 图1(b)：光学传输光谱显示四个特定波长处的谐振谷，每个谐振谷对应阵列中的一个硅微环调制器。 图1(c)：测量的电流-电压(I-V)曲线，显示ITiO/HfO2/Si MOSCAP的漏电流和接近击穿电压的特性。

每个硅微环调制器设计有300 nm宽的窄硅波导，以获得高电光效率。在有源区域，10 nm厚的氧化铪(HfO2)层和14 nm厚的ITiO层共形沉积在微环波导上，形成ITiO/HfO2/Si MOSCAP结构。

光学传输光谱显示四个不同的谐振谷，对应阵列中的每个微环。这些谐振落在11.6 nm的自由光谱范围内，为不同的WDM通道提供了足够的分离。器件的电气特性显示出极低的漏电流——在8V偏置下小于100 pA——这对于该器件的超低功耗运行至为重要。

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高速特性与性能

为评估器件在WDM应用中的性能，使用可调谐激光器将输入波长设置为等间距：1313.34 nm、1316.29 nm、1319.24 nm和1322.19 nm。使用3 Vpp电压摆幅(从0V到3V)表征调制性能，目标插入损耗低于3 dB，消光比高于6 dB。

图2(a)：每个通道在0V至3V电压摆幅下的传输光谱，显示等间距工作波长，通道间隔为2.95 nm。 图2(b)：通道3和通道4添加栅极偏置调谐后的传输光谱，移动光谱以实现所需的调制性能(插入损耗<3 dB，消光比>6 dB)。 图2(c)：栅极偏置调谐后每个通道在各自工作波长下的测量非归零(NRZ)调制眼图。

初始测试表明，通道1和通道2立即满足性能标准，而通道3和通道4表现出高于预期的插入损耗。为解决此问题，应用了额外的栅极偏置调谐——通道3为0.5V，通道4为1V——分别产生40 pm和80 pm的波长偏移。这种精细调整成功地将插入损耗降至3 dB以下，同时保持高于6 dB的消光比。

通过栅极偏置调谐进行波长优化后，眼图测量显示出优异的高速性能。三个通道在高达25 Gb/s的数据速率下实现了清晰的开眼图案，而通道4达到了15 Gb/s。通道4性能略低归因于制造工艺不完善，而非技术的根本限制。

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功耗优势

这项技术最显着的特点是与传统热调谐方法相比，功耗大幅降低。栅极偏置调谐方法主要依赖于MOSCAP结构的漏电流，在使用的工作电压下约为25 pA。这转化为每纳米波长偏移仅312 pW的估计功耗，电光效率约为80 pm/V。

这种功率要求比热调谐方法典型的毫瓦级功耗低几个数量级，代表了硅基光电子系统能效的重大进步。

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结论

ITiO栅极MOSCAP硅微环调制器阵列证明了直流栅极偏置调谐提供了一种有效的无需热控的波长控制方法，功耗极低。该系统在三个通道上实现了25 Gb/s的优异数据速率，第四个通道上达到15 Gb/s，具有理想的WDM应用一致波长间距。

这一创新解决了硅基光电子中最显着的挑战之一：与波长调谐相关的高功耗。通过用栅极偏置调谐替代热加热器，这种方法实现了更节能的光通信系统，同时保持高性能，为片上WDM技术提供了重要创新。