“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：利用SOI技术对双氮化钛热光相移加热器的优化

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引言✦

采用绝缘体上硅 (Silcon-on-Insulator, SOI) 技术集成热光相移器 (Thermo-Optic Phase Shifters, TOPSs) 为各种应用提供了一种有吸引力的解决方案，包括传感器、高速通信、滤波器和宽带电光调制器。在这些应用中，TOPSs在通过强度或相位调制对光进行编码方面起着关键作用。TOPSs通常是通过单片集成实现的，波导 (Wave Guide, WG) 一般采用硅 (Si)，覆盖材料使用二氧化硅 (SiO₂)，而加热器则使用其他金属或掺杂半导体材料。TOPSs被集成到基于耗尽载流子的马赫-曾德尔调制器 (Mach-Zehnder Modulator, MZM) 中，该器件通过改变长度或由于加热而导致横向电场 (Transverse Electric, TE) 模式的有效折射变化来调制信号。TOPSs以均匀的模式加热MZM，从而使其工作电压保持在线性区域，使我们能够传输带宽高达25 Gbit/s及以上的信号，并最大化信噪比。TOPSs是解决不平衡问题的有效解决方案，然而目前尚未出现在TOPSs中使用多个加热器的使用案例。

本文以基于有限差分方程 (Finite Difference Equation, FDE) 的热仿真和基于有限元方法 (Finite Element Method, FEM) 的光学仿真，对双金属氮化钛 (TiN) TOPS设计进行了优化。选择金属加热器是因为TiN在某些特性上相对于掺杂半导体具有优势，例如TiN具有较低的比热 (598 J/(kgK)，而Si为711 J/(kgK))，而TiN的热导率 (28 W/mK) 大致与磷掺杂的硅 (25 W/mK) 相当。与硅片相比，TiN与波导之间的分离具有可忽略的衰减系数，使其成为长距离通信系统的优越解决方案。

 研究内容 

图1显示了x-y平面上的硅带状波导结构，而光在z轴上传播。图中的颜色定义如下：黄色表示空气，浅蓝色表示TiN加热器，浅灰色表示SiO₂，紫色表示Si波导。各组件的尺寸如下：空气的高度为5 μm；SiO₂的高度为2 μm，也称为埋层氧化物 (Buried Oxide, BOX)；Si波导的高度 (h_wg) 为220 nm，宽度 (w_wg) 为500 nm。维度的选择是为了获得在操作波长 (λ₀ = 1550 nm) 下的基本TE模式解 (也可用于TM模式)。器件的长度 (沿z轴) 为1 mm。双加热器中使用的金属是TiN，并对其位置进行了优化以获得更好的性能；优化参数包括两个加热器之间的距离 (d_TiN) 以及它们与Si波导的重心距离 (d)。TiN的尺寸设置为适合当今工艺能力的制造条件。因此，每个TiN加热器的高度 (h_TiN) 均为220 nm，宽度 (w_TiN) 为2 μm。

图1. 在x-y平面上绘制的双TiN嵌入Si带状波导结构的示意图。

从图2可以观察到，在加热器之间的距离较短 (小于0.85 μm) 的情况下，可以获得大于0.45的归一化热串扰。因此，最佳设计必须具有小于0.45的归一化热串扰。此外，加热器之间的距离越短，功耗效率越高，这意味着为获得π相位移所需的功耗将更低，但与此同时，与热串扰的平衡将更大。因此，最佳设计包括两个加热器之间的距离为1 μm。在这种情况下，获得π相位移所需的功率显著降低，总功耗为18.95 mW，并且具有较低的归一化热串扰 (0.404)。

图2. 加热器间距的归一化热串扰随距离的变化。

另一个重要的特征是双TiN加热器与Si波导之间的高度距离。图6a–d显示了具有不同d值 (0.5–2 μm) 的TOPS的热剖面。通过求解TE模式并提取获得π相位移所需的功率和吸收系数 (衰减)，对所得数据进行了分析。从这些图中可以注意到，在d的较短距离下，Si波导区域出现了强烈的热变化，如图6a,b所示。对d进一步优化可得最佳的d值为1 μm，功率低至19.1 mW，并且没有发生损耗。因此，选择这个距离可以确保TE基模的光不与双TiN区域重叠。

图3. 在将加热器的高度距离居中于Si条形波导顶部的情况下，TOPS的热分布如下所示：(a) d = 0.5 μm，(b) d = 1 μm，(c) d = 1.5 μm，(d) d = 2 μm。

从图4可以看出，所提出的TOPS对激光器漂移效应非常敏感，由于激光器加热引起的温度增加50摄氏度，只产生了微小的功率偏移60 μW，并且在C波段频谱上具有良好的功率消耗稳定性，从工作波长只有±0.25 mW的小功率偏移。

图4. 关于C波段频谱上的波长，P_π作为函数的变量。

 研究总结 

在这项研究中，基于商用的220 nm SOI条纹波导，采用双TiN加热器的新TOPS设计在正向偏压下进行了研究。本研究展示了如何设计具有高能效的TOPS，以满足设计与长度约为1 mm的射频线一起工作的MZM的商业需求。该TOPS设计的最佳参数是两个TiN加热单元之间的距离为1 μm，加热单元质量中心与Si条纹波导上表面之间的距离为1 μm，以及PS长度为1 mm。新的TOPS设计对热激光漂移效应表现出良好的稳定性，在C波段频谱中仅出现了微小的功率偏移 (±0.25 mW)。结果显示，所提出的TOPS可以使用较低的电功率 (19.1 mW) 在1mm PS长度上实现π相移，具有卓越的归一化热串扰 (0.40)、快速上升时间 (2.31 μs)、极低的光损耗 (7.72×10^﹣9 dB/mm) 和44.12 mWμs的FOM。因此，与掺杂Si材料或仅使用一个TiN加热单元的其他TOPS设计相比，这种新的TOPS设计在能效方面具有突破性的优势。这种新的TOPS可以轻松集成到在高速条件下工作的MZM中，通常需要一个大型RF线 (约1 mm) 来解决失衡臂问题，且电能成本低。从商业角度来看，这种新设计非常具有吸引力，因为可以降低MZM中实现相位控制的驱动电压水平。因此，从系统的角度来看，这种能力可以用于降低发射机的成本。

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原文出自Sensors 期刊：

Krause, E.E.; Malka, D. Optimizations of Double Titanium Nitride Thermo-Optic Phase-Shifter Heaters Using SOI Technology. Sensors 2023, 23, 8587. 

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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