硅基热光相移器

  这一篇笔记聊一聊硅光芯片上的热光相移器(thermal phase shifter)。硅材料的热光系数为1.84e-4/K, 比二氧化硅、氮化硅等的热光系数高一个量级。因而对于一些工作温度变化较大的应用场景，需要考虑温度变化的影响。基于硅光的热光效应，可设计热光相移器、热光开关等。由于加热过程的特征时间是ms量级，其不可用于信号的高速调制。

  典型的热光相移器结构有两种，

  1. 以TiN作为热源

  TiN的电阻率约为20 uΩ.cm, 而铜的电阻率约为1.7uΩ.cm，因此使用TiN作为加热金属，效率更高。TiN可采用CVD的方法进行制备。由于其在微电子领域有其他的应用，因此foundary一般都会提供TiN薄膜的制程。

  典型的TiN加热结构如下图所示

(图片来自文献1)

  在硅波导上方1-2um高度处加工一层TiN薄膜，其典型的宽度为2um，长度为200um, 厚度为100nm。右图上显示了不同区域的温度分布，TiN作为热源，向外部传输热量，提高Si波导附近的温度分布，进而影响其模场分布，实现光场相位的变化。

  采用TiN作为热源的热光相移器，由于TiN距离硅波导较远，其插损较小，通常需要20-30mW实现π的相位变化。

  2. 以轻掺杂的Si作为热源

  本征硅的电阻率较大，轻掺杂后其电阻率降低，在其两端施加电压后产生热量，进而改变光场的相位。该方案有两种典型的结构，第一种如下图所示

(图片来自文献2)

  脊形波导的中间区域为轻掺杂区，两端为重掺杂区。电压通过重掺杂区施加到中间的区域，中间脊形区域既是热源，又用于传输光场。波导以自身为热源，其加热效率提高，但是由于进行了掺杂，波导的传输损耗增加。

  另一种典型的结构如下图所示

(图片来自文献3)

  左侧为轻掺杂的Si, 其两端施加电压后，成为热源。热量传导给右侧的波导。两者之间通过slab波导连接(也可以不用slab波导)。

  这几种结构的调制效率接近，都是20-30mW/pi。通过一些特殊的结构设计，可进一步提高调制效率。在实际应用中，使用TiN作为热源的方案使用较多，主要原因是因为其损耗小，并且工艺简单。

  实际光路中，往往需要使用多个热光相移器。这些相移器如果同时进行加热，会彼此影响，形成热串扰，从而造成相位不准确。解决该问题的主要方法是在硅波导附近进行刻蚀，形成悬空的波导区域，由于空气的热传导率较低，热量集中在波导附近，不能有效地向其他区域传输。由于热量集中在波导附近，其调制效率得到提高，一举两得。典型的结构如下图所示，

(图片来自文献4)

  左右两图的区别在于所使用的刻蚀工艺，右图采用湿法刻蚀，因此可以刻蚀掉波导正下方的硅。

  另外一种降低热串扰的方法是通过反馈算法进行动态控制，从而得到想要的相位调节。

  以上是对硅光中的热光相移器的简单介绍，比较粗浅。虽然热光相移器的调制速率不如电光效应快，但是其工艺简单、损耗小，可用于一些速率要求不高的应用场景。

  参考文献：

  A. H. Atabaki, et.al., "Optimization of metallic microheaters for high-speed reconfigurable silicon photonics", Opt. Exp. 18, 18132(2010)

  M. Streshinsky, et.al., "Low power 50 Gb/s silicon traveling wave MachZehnder modulator near 1300 nm", Opt. Exp. 21,30350(2013)

  F. Testa, et. al., "Silicon Photonics Switch Matrices: Technologies and Architectures "

  K. Padmaraju, et.al., "Resolving the thermal challenges for silicon microring resonator devices"