IEEE SiPhotonics2025 |光子集成线路精确调整与编程

引言

硅基光子技术作为集成光学系统的平台具有高集成度和与CMOS制造工艺兼容的优势。然而，这些系统常因制造不完美而导致性能变化。为解决这一挑战，研究人员开发了后制造调整技术，可精确调节光子组件的特性。

一种特别有前途的方法涉及使用锗（Ge）离子注入和退火来修改硅波导的折射率。该技术允许永久、非易失性地改变光电子集成芯片（PIC）的光学特性，无需持续供电，使其非常适合于可编程光子线路和器件调整应用[1]。

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锗离子注入机制

当锗离子注入到硅波导中时，会在注入区域产生晶格无序，从而增加硅的折射率。折射率变化程度与注入剂量相关—剂量越高，变化越大，直到硅变为非晶态，此时折射率达到3.96（相比晶态硅的3.48）。

这种方法的优势在于通过退火可逆转该过程。当非晶态硅加热到450°C以上温度时，开始重结晶，允许恢复原始折射率。通过控制退火过程，可以精确调整光在波导中传播所经历的有效折射率，实现特定的相移。

该技术可应用于各种光子组件，如马赫-曾德干涉仪（MZI）、环形谐振器（RR）和定向耦合器（DC），使复杂光子线路中的光信号路由实现后制造编程。

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实验设置

图1：a) MZI设计的显微镜图像，显示两组电极焊盘—左侧焊盘连接到锗注入波导段上方的电热丝，右侧焊盘连接到用于热调谐的电热丝。b) 注入波导段的截面图，显示分层结构。

研究团队使用带有锗注入波导段和集成微加热器的MZI演示了他们的方法。在这种设置中，MZI的一个臂包含一段12μm长度的锗离子注入波导。在此区域上方直接制作微加热器，以实现电退火。还包括第二个微加热器，用于将MZI设置为正交状态以进行精确的相位测量。

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电退火方法

虽然可以使用激光退火来修改锗注入区域，但电退火提供了几个优势。它可以在封装后执行，并允许多个注入段并行退火，这对高效编程大规模光子线路非常重要。

研究人员发现，当施加功率达到约35mW时，锗注入波导段的退火开始，并持续到约110mW。他们选择使用电压脉冲而非恒定电流，主要有两个原因：首先，将由于退火导致的光学传输变化与临时热光效应分离；其次，通过限制施加功率的持续时间来实现更高分辨率的相位控制。

团队开发了一种复杂的高分辨率相位调整方法。他们从低功率施加到微加热器开始，然后逐渐增加功率以达到更高温度，使用连续脉冲之间的电压步长。关键创新在于根据前几个脉冲观察到的相位变化来调整电压步长大小。

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自适应电压步长控制

研究团队实施了一种自适应算法，根据前几个脉冲产生的相位变化修改电压步长大小。当相位变化大于0.012弧度时，系统会降低电压1.2mV；对于相位变化在0.006-0.012弧度之间的情况，保持相同电压（0mV步长）；当相位变化在0.001-0.006弧度之间时，增加电压0.6mV；而对于相位变化小于0.001弧度的情况，则增加电压10mV。

为进一步提高分辨率，团队在微加热器（280Ω）串联了电阻器（438Ω），确保微加热器仅接收约40%的施加电压。实验中使用的设备能够实现的最小电压步长为0.6mV，这一配置显著提高了相位控制的精度。

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结果和性能

图2：图表显示a）每个电压脉冲下电热丝上的电压，b）连续电压脉冲之间的相位变化，以及c）每个电压脉冲后的累积相位变化。

团队在相位控制方面取得了显著的精度。在2π弧度的调谐范围内，任何单个脉冲测量的最大相位变化仅为0.0054π弧度，相位调整的平均分辨率为0.0007π弧度。在整个范围内，每个脉冲的相移始终保持在0.006π弧度以下，展示了出色的控制分辨率。图2c清晰地展示了随着脉冲数量增加，累积相位变化呈现出平稳的线性增长趋势，这表明该方法具有高度的可预测性和稳定性。

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结论

锗离子注入和电退火方法为调整和编程光电子集成线路提供了多个优势。该方法实现了非易失性操作，一旦编程，组件无需持续供电即可保持状态；与CMOS工艺兼容，能够与标准硅基光子制造集成；具有高分辨率的相位控制能力，平均分辨率达到0.0007π弧度；支持封装后可编程性，器件可在完全集成后进行调整；并具备并行处理能力，可同时编程多个组件。

此方法使大批量生产通用、可编程的光子芯片成为现实，这些芯片可以后期为特定应用定制。研究团队演示的高分辨率相位调整技术代表了向实用、可编程光电子集成线路的重要进展，可能在该技术的未来发展中发挥关键作用。通过消除对持续供电的需求，该方法还提供了能源效率高的解决方案，解决了传统光学调谐元件功耗高的问题。