#可编程光子线路 #硅光 #异质集成
摘要可编程光子电路[1]已成为一个有前景的平台，应用于从光通信[2–4]到人工智能计算[5–10]和量子信息处理[11,12]等领域，但其规模化从根本上受限于其基本构建模块——光学相移器。现有相移器技术在功耗、工作速度、调制效率、光学损耗和热串扰之间面临固有权衡，使得实现高性能、大规模可编程光子电路具有挑战性。在此，我们提出一种基于 InGaAsP/Si 混合金属–氧化物–半导体（MOS）相移器的可编程光子电路，其结合了超低功耗、高速运行、高调制效率、低光学损耗和可忽略的热串扰。这些相移器将 MOS 电容器的低泄漏电流与 InGaAsP 膜的强载流子诱导折射率调制相结合，实现了低于 30 fW/π 的静态功耗、555 ps 的切换时间、0.13 Vcm 的相位调制效率（VπL）以及仅 0.20 dB/π 的载流子诱导额外插入损耗。我们将这些相移器集成到可编程马赫–曾德尔干涉仪网格中，并展示了光学切换和可编程酉变换，同时在集成的相移器上保持飞瓦级静态功耗。我们进一步展示了具有可忽略热串扰的电路级运行，解决了密集集成可编程光子电路的一个主要障碍。这些结果为面向下一代信号处理和计算的可扩展、高性能可编程光子系统奠定了基础。
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文章名：Ultralow-power, high-speed programmable Si photonic circuits with InGaAsP membrane
作者：Tomohiro Akazawa,¹,∗ Rui Tang,¹ Hanzhi Tang,¹ Makoto Okano,² Yangyang Wan,¹ Nobuyuki Matsuda,³ Kasidit Toprasertpong,¹ Shinichi Takagi,¹ and Mitsuru Takenaka¹,†
单位：1︱Department of Electrical Engineering and Information Systems, The University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan2︱National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Ibaraki 305-8569, Japan3︱Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8577, Japan
引言
动态重构光的路由和处理的能力已将光子集成电路从固定功能器件转变为通用的可编程系统[1]。此类可编程光子电路为多种应用提供了一个通用硬件平台，包括信号处理[3,4]、光交换[2,13–16]、机器学习加速[5–10]、量子信息处理[11,12]和传感[17]。基于代工厂的硅（Si）光子学的进展使得光子组件的集成密度迅速提高[18]。然而，可编程光子电路的规模化仍然从根本上受限于光学相移器的性能，而光学相移器是可编程光子电路的基本构建模块。现有相移器技术在功耗、工作速度、调制效率、插入损耗和热串扰之间面临固有权衡，这些权衡源于用于诱导光学相移的材料和物理机制。
热光（TO）相移器是可编程光子电路中最广泛使用的相移器之一[2,6,19]，因为它们器件结构简单且易于集成。然而，它们通常需要大量静态功率（> 1 mW），并且由于其工作的热性质而表现出相对较慢的切换速度（> 10 µs）[2]。热扩散还会在相邻相移器之间诱导严重的热串扰，使密集集成器件的独立控制复杂化。这些限制对将 TO 相移器部署在可编程光子电路中构成了重大挑战。或者，微机电系统（MEMS）相移器可实现极低的静态功耗[15,21,22]；然而，其机械致动通常限制切换速度（> 1 µs），并且需要相对较高的驱动电压（> 10 V），这对高速运行和与电子控制电路的集成提出了挑战[15]。相比之下，基于自由载流子等离子体色散效应的 Si 光学相移器[16,20,26]提供纳秒级切换速度，但由于 Si 中固有的大的自由载流子吸收，对于 π 相移通常产生超过 1 dB 的额外插入损耗[16,20]。这种损耗随着光通过级联相移器传播而累积，对可编程光子电路的可扩展性施加了实际限制。使用压电光机械致动器的基于应变的相移器[24]也表现出纳秒级切换速度；然而，其低调制效率需要更长的相移器，导致光学损耗增加。薄膜铌酸锂（TFLN）相移器近年来因其超快电光响应而受到深入研究[23,27,28]。然而，它们通常表现出有限的相位调制效率（V_π L > 1 Vcm）[29]，这反映了铌酸锂适中的普克尔斯系数[30]。此外，TFLN 相移器通常依赖集成加热器来稳定工作点[31]，从而引入额外的静态功耗和热串扰。钛酸钡（BTO）表现出显著更强的普克尔斯效应，也因其低功耗、高效和高速相位偏移而引起了相当大的关注[32,33]。最近展示了一种基于 BTO 相移器的可编程光子门阵列[25]；然而，所报道的器件消耗超过 500 nW/π 的静态功耗，并表现出 1.48 dB 的相移器插入损耗，表明将 BTO 集成到 Si 光子电路中存在挑战。此外，报道了超过 80 ns 的切换时间，这可能与 BTO 的强色散介电响应有关[34]。
图 1：具有 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路。(a) 包含 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路示意图。(b) 所制造可编程光子芯片的光学显微图像。(c) 可编程光子电路的构建模块，由具有 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的 2×2 马赫–曾德尔干涉仪（MZI）组成。(d) InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的横截面示意图。(e) 在 1550 nm 波长下 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的基模横电（TE）模分布。(f) 基于不同相移器技术的可编程光子电路平台在静态功耗和切换时间方面的比较[2,15,16,19–25]。
因此，可编程光子电路的进一步规模化需要相移器同时实现超低功耗、高速运行、高调制效率、低光学损耗和无热串扰运行。
在此，我们提出一种基于 InGaAsP/Si 混合金属–氧化物–半导体（MOS）相移器的超低功耗和高速可编程光子电路，如图 1a 所示。我们开发了一种制造工艺，用于在 Si 光子平台上将可编程马赫–曾德尔干涉仪（MZI）网格与 n-InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器集成（图 1b、c）。混合 MOS 相移器的横截面结构和基模横电（TE）模分布分别如图 1d、e 所示。使用带隙能量为 0.95 eV（对应于带隙波长 λ_g = 1300 nm）的 200 nm 厚 n-InGaAsP 膜来抑制工作波长 1550 nm 处的光学吸收（补充第 I 节）。在正向栅极偏压下，电子在 InGaAsP/Al₂O₃ 界面处积累，并通过由 n-InGaAsP 的小电子有效质量所实现的强等离子体色散和能带填充效应，高效地诱导负折射率变化（补充第 II 节）[35–41]。在反向栅极偏压下，电子耗尽和 Franz–Keldysh 效应有助于正折射率变化[42]。这种双向折射率调谐机制实现了宽相位调谐范围。本工作中的混合 MOS 架构实现了 0.13 Vcm 的高相位调制效率，载流子诱导额外损耗仅为 0.20 dB/π。SiO₂ 嵌入 MOS 结构的超低泄漏电流将静态功耗降低至 28.9 fW/π（补充第 III 节），同时实验证明了 555 ps 的切换时间。与先前报道的可编程光子电路平台[2,15,16,19–25]的比较表明，我们的平台结合了飞瓦级静态功耗与亚纳秒切换（图 1f），以及高调制效率、低光学损耗和无热串扰运行（全面比较见表 1）。我们使用 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器构建了可编程 MZI 网格，并展示了高保真光学切换和可编程酉变换，以及无热串扰的电路级运行。我们进一步通过测量可编程光子电路中每个相移器的泄漏电流来评估超低功耗运行的可扩展性，发现绝大多数相移器具有飞瓦级静态功耗。这些结果为将可编程光子电路扩展至超越相移器技术的传统权衡提供了一条有前景的路径。
图 2：n-InGaAsP/Si 混合 MOS 光学相移器的表征。(a) InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的光学显微图像。两步锥形结构在 Si 脊波导与 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器之间提供高效的模式过渡。(b) InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的横截面 TEM 图像和 (c) EDS 元素分布图。(d) 对于相移器长度为 500 µm 和 1000 µm 时，相移随所施加栅极电压的变化。(e) 包含 1.1 mm 长 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的 2×2 MZI 的归一化透射随栅极电压的变化，展示了超过 2π 的相位调谐范围。(f) 包含 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的 2×2 MZI 的动态电光响应。测得的 10% 至 90% 上升和下降时间分别为 555 ps 和 417 ps。(g) 泄漏电流随栅极电压的变化。对于 600 µm 长的相移器，π 相移的静态功耗为 28.9 fW。
InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的表征
InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器通过直接晶圆键合[43]制造，将生长在 InP 衬底上的 n-InGaAsP/n-InP/n⁺⁺-InGaAs 外延层键合到 SiO₂ 嵌入的 p 型 Si 脊波导上，并使用 Al₂O₃ 键合层（方法及补充第 III 节）。图 2a 显示了 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的光学显微图像，其中两步锥形结构在 Si 脊波导与 InGaAsP/Si 混合波导之间提供高效的模式过渡（补充第 IV 节）。横截面透射电子显微镜（TEM）图像（图 2b）揭示了混合 MOS 结构，从放大图像确定的等效氧化物厚度（EOT）为 19.2 nm。能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分布图（图 2c）进一步确认了 InGaAsP 相移器层通过 Al₂O₃ 键合层成功键合到 Si 脊波导上。我们首先使用包含 500 µm 和 1000 µm 长 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的非对称 MZI（AMZI）表征相位调制效率。图 2d 显示了从 AMZI 透射光谱中提取的相移随栅极电压的变化。由于 InGaAsP 的小有效电子质量，实现了高相位调制效率，VπL 为 0.13 Vcm。π 相移器的载流子诱导额外损耗仅为 0.20 dB（补充第 V 节）。包括两个 Si 到混合波导锥形结构（每个插入损耗为 0.18 dB）（补充第 IV 节），相移器部分的总插入损耗为 0.56 dB。制造工艺的进一步优化将锥形损耗降低至每个锥形低于 0.01 dB，表明总插入损耗有可能降低至低于 0.22 dB（补充第 IV 节）。图 2e 显示了包含 1.1 mm 长 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的 2×2 MZI 的直通端口和交叉端口在 1550 nm 波长处的透射光谱随栅极电压从 −1 扫描至 5 V 的变化，展示了超过 2π 的相位调谐范围。图 2f 显示了由 9.375 MHz 方波电脉冲驱动、峰峰值电压（V_pp）为 2.0 V、直流偏置为 3.0 V 的 MZI 的动态光学响应。测得的上升和下降时间分别为 555 ps 和 417 ps，展示了亚纳秒切换。切换速度目前受相移器的 RC 时间常数限制，可通过降低寄生电容进一步提高[44]（补充第 VI 节）。
图 3：基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路的光学切换。(a) 所制造 4×4 可编程光子电路的光学显微图像，该电路由用 InGaAsP/Si 混合 MOS 光学相移器实现的输入矢量层和酉变换层组成。(b) 2×2 马赫–曾德尔干涉仪（MZI）的光学显微图像，其是可编程光子电路的基本构建模块。内部（θ₁ 和 θ₂）和外部（φ₁ 和 φ₂）相移器对以推挽配置运行。(c) 用于测量的封装后可编程光子电路的照片。(d)(e) 两种代表性电路配置的光学路由配置及相应的测得归一化传递矩阵。MZI 被编程为直通或交叉状态，以实现所需的输入–输出路由。
图 2g 显示了相移器的电流–电压（I–V）特性。由于泄漏电流极小，其中电容电流的贡献不可忽略，我们采用电流采样方法准确确定稳态泄漏电流（补充第 VII 节）。对于可编程光子电路中使用的 600 µm 长相移器，在 π 相移处的泄漏电流测得为 13.3 fA。这对应于仅 28.9 fW/π 的静态功耗，比传统 TO 相移器低约十个数量级。这种超低静态功耗源于 MOS 结构的极低泄漏电流，并得益于围绕 Si 波导的致密嵌入 SiO₂ 包层（补充第 III 节）。我们进一步测量了 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的电容，以评估动态切换能量（补充第 VI 节）。对于 600 µm 长相移器，在 V_π = 2.2 V 时电容为 6.48 pF，对应于 15.3 pJ/π 的切换能量。切换能量可通过降低 MOS 相移器的寄生电容和栅极氧化物厚度进一步降低（详见讨论）。
具有 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路
我们表征了一个 4 × 4 可编程光子电路，其包括一个四模输入矢量层和一个酉变换层[45,46]（图 3a）。输入矢量层由四个 MZI 组成，独立控制每个模式中输入光的振幅。酉变换层使用级联 2 × 2 MZI 的 Clements 网格[47]实现，每个 MZI 包括定向耦合器（DC）、内部相移器（θ₁ 和 θ₂）和外部相移器（φ₁ 和 φ₂），如图 3b 所示。内部和外部相移器对以推挽配置运行，在降低驱动电压的同时提供宽的相位调谐范围。图 3c 显示了测量中的封装后可编程光子电路的照片。光纤阵列附着于光子电路，相移器电压使用多通道源测量单元（SMU）独立控制（详见方法）。
我们首先对光子电路进行编程，以在 1550 nm 波长处实现不同的切换配置。通过将每个 MZI 两臂之间的相位差设置为 0（交叉态）或 π（直通态），输入光信号可被路由至不同输出端口，从而实现可重构的输入–输出映射。图 3d、e 显示了两种切换配置的代表性测得归一化传递矩阵，其仅通过驱动每个 MZI 的内部相移器来实现。测得的传递矩阵与所编程的切换模式高度吻合，在目标输出端口处具有高透射，在非期望端口处具有强抑制。实现了低于 −12 dB 的通道串扰，展示了使用 InGaAsP/Si 混合 MOS 可编程光子电路的可重构光信号路由。为展示我们的可编程光子电路作为线性光子处理器的能力，我们使用 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器实现了 50 个随机生成的酉矩阵。为补偿由制造缺陷引起的相位误差，我们采用协方差矩阵自适应进化策略（CMA-ES）为每个目标酉矩阵全局优化相移器电压[48]（补充第 VIII 节）。在优化过程中，电压范围限制为 −4 至 4 V，并且 Clements 网格中每个 MZI 的内部和外部相移器均被控制以实现目标变换，如图 4a 所示。图 4b 比较了 50 个随机生成的酉矩阵的目标和测得归一化透射值。测得值紧密跟随目标值，决定系数（R²）为 0.93，误差分布的标准差（σ）为 0.052（图 4b 插图）。这些结果表明，使用基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路，可以高保真地实现多样化的酉变换。
我们接下来研究了基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路中的热串扰。热串扰在主动驱动的相移器产生的热无意中扰动相邻器件中的光学相位时出现。这种效应对基于 TO 相移器的可编程光子电路的规模化构成了重大挑战，因为后者通常消耗超过 1 mW 的静态功率并在运行期间产生大量热。相比之下，我们的 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的飞瓦级静态功耗预计将基本上消除热串扰。为通过实验验证这一点，将波长为 1550 nm 的连续波（CW）光沿图 4c 中红色指示的光路注入可编程光子电路的顶部输入。将相同的栅极电压（从 0 扫描至 4 V）同时施加到光路外的所有相邻相移器，而沿光路的相移器保持在固定电压。该实验在没有热电冷却器（TEC）因而没有主动温度稳定的情况下进行。如图 4d 所示，光学透射在整个电压范围内几乎保持不变，证明在电路级具有可忽略的热串扰。为进行比较，我们使用基于 TO 相移器的可编程光子电路进行了相同实验（补充第 IX 节）。在这种情况下，透射随施加到相邻 TO 相移器的电功率而显著变化，在 π 相移所需功率（Pπ）下超过 10%，如图 4e 所示。这一直接比较表明，InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的超低静态功耗有效消除了基于 TO 的可编程光子电路所固有的热串扰。
最后，为评估电路级超低功耗运行的可扩展性，我们在 2.3 V 偏置电压（大致对应于 600 µm 长相移器的 V_π）下测量了可编程光子电路中每个相移器的泄漏电流。如图 4f 所示，泄漏电流在整个电路中保持极低，绝大多数相移器表现出飞瓦级静态功耗，仅少数超过 1 pW。按相移器长度归一化的中位静态功耗仅为 36.4 fW mm⁻¹，对应于 600 µm 长相移器的 21.8 fW。这些结果表明，飞瓦级静态功耗在整个可编程光子电路中一致保持，支持 InGaAsP/Si 混合 MOS 平台向更大光子电路的可扩展性。
讨论与展望
我们已经展示了一种基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的超低功耗、高速可编程光子电路平台。通过将 MOS 结构的极低泄漏电流与 InGaAsP 膜的强载流子诱导折射率调制相结合，我们的平台同时实现了飞瓦级静态功耗、亚纳秒切换、高相位调制效率和低光学损耗。相移器表现出低于 30 fW/π 的静态功耗和 555 ps 的切换时间。InGaAsP 的小有效电子质量使得高效的载流子诱导相位调制成为可能，产生 0.13 Vcm 的 V_π L，载流子诱导额外损耗仅为 0.20 dB/π。包括两个 Si 到混合波导锥形结构，相移器部分的总插入损耗为 0.56 dB。
图 4：可编程光子电路的线性变换和无热串扰运行。(a) 基于 Clements 网格[47]的 4×4 可编程光子线性变换器示意图。(b) 50 个随机生成的酉矩阵的目标和测得归一化透射值之间的比较。插图显示了目标和测得值之间的误差分布。(c) 用于评估可编程光子电路中热串扰的实验方案。施加到光路外相邻相移器的电压变化，同时监测通过已编程光路的透射。(d) 基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路的归一化透射随施加到相邻相移器的电压的变化。透射在整个电压范围内几乎保持不变，证明可忽略的热串扰。(e) 基于 TO 相移器的可编程光子电路的归一化透射随施加到相邻相移器的电功率的变化，显示由热串扰引起的显著透射变化。(f) 在可编程光子电路中 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器上测得的泄漏电流分布。
表 1 比较了最先进可编程光子电路平台[2,16,22–25]中所展示相移器的关键品质因数。我们平台的一项关键成就是同时实现了高相位调制效率、高速切换、超低静态功耗、低切换能量、低插入损耗和可忽略的热串扰，从而克服了制约可编程光子电路规模化的这些指标之间的权衡。基于 TO 相移器的传统可编程光子电路通常每个相移器需要超过 1 mW 的静态功耗，随着相移器数量增加，导致显著的电路级功耗和热串扰。相比之下，InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器仅消耗飞瓦级静态功耗。基于每个相移器 21.8 fW 的中位静态功耗，包含一百万个相移器的电路的总相移器静态功耗将仅为约 22 nW，大大放宽了大规模集成的功率和热约束。此外，与切换速度从根本上受机械致动限制的 MEMS 相移器不同，我们的相移器由于其小 RC 时间常数而实现亚纳秒切换。这种快速响应对需要快速电路重构的应用特别有利，例如光分组交换（OPS）。
表 1：基于电路级演示的不同相移器技术的最先进可编程光子电路平台的比较。
(1) 工作波长为 737 nm。 (2) 包括稳定工作点所需的静态功耗。 (3) 使用 E_π = P_π t_switch 计算。 (4) 未显示实验数据。 (5) 显示的是 π 相移处的插入损耗。
然而，目前的相移器设计表现出 15.3 pJ/π 的切换能量，与基于普克尔斯效应的相移器（如 TFLN 和 BTO）相比相对较高。然而，存在明确的工程路径来大幅降低这一能量。π 相移的切换能量（E_π）大致按 E_π = C_ox V_π²/2 缩放，其中 C_ox 是 MOS 电容，V_π 是 π 相移所需的电压。因此，可以使用两种方法来降低切换能量。第一，可以通过去除不参与相位调制的 Si 平板区域来降低寄生电容（补充第 VI 节）。第二，将 MOS 相移器的 EOT（t_ox）降低 κ 倍，会使 C_ox 增加 κ 倍，同时使 V_π 降低相同倍数，从而导致 E_π 总体降低 κ 倍。将去除寄生电容与 EOT 降低十倍相结合，预计可将切换能量降低约 30 倍，从 15.3 pJ/π 降至约 500 fJ/π。
本工作中展示的 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器表现出 0.56 dB 的低插入损耗，包括 0.20 dB/π 的载流子诱导额外损耗以及两个 Si 到混合波导锥形结构各 0.18 dB 的插入损耗。这一总损耗显著低于电路级演示中报道的 Si PIN 和 BTO 相移器的损耗（> 1 dB；表 1）。插入损耗可通过优化锥形制造进一步降低。目前的锥形损耗 0.18 dB 主要归因于由制造缺陷引起的相对较大的锥形尖端宽度。将锥形尖端宽度减小至 150 nm 预计可将插入损耗降低至每个锥形低于 0.01 dB（补充第 IV 节），从而有可能将相移器部分的总插入损耗降低至约 0.22 dB。
基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器，我们展示了可编程光子电路的关键功能，包括光学切换和酉变换，突显了该平台从数据中心光互连到深度学习加速器和量子信息处理等应用的潜力。重要的是，相移器的飞瓦级静态功耗使电路能够在无热串扰的情况下运行，正如本工作所实验证明的那样。这一能力解决了基于 TO 的可编程光子电路的一个主要限制，其中相移器的大量静态功耗随电路规模化而导致热串扰和日益复杂的控制。综合来看，这些结果确立了 InGaAsP/Si 混合 MOS 平台作为面向大规模可编程光子电路的有前景基础，其结合了多功能性与超低功耗运行。
总之，我们已经建立了一个基于 InGaAsP/Si 混合 MOS 相移器的可编程光子电路平台。通过将 n 型 InGaAsP 膜与 Si 光子电路集成，我们的平台克服了功耗、工作速度、调制效率、光学损耗和热串扰之间制约可编程光子电路规模化的传统权衡。尽管需要进一步优化器件设计和制造以降低插入损耗和切换能量，但飞瓦级静态功耗、亚纳秒切换和无热串扰电路运行的同时实现，为面向经典和量子应用的大规模可编程光子系统提供了一条可扩展路径。
方法
器件制造
Si 波导首先在 300 mm 绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造，随后通过热氧化和化学气相沉积（CVD）嵌入 SiO₂ 中。然后通过化学机械抛光（CMP）平坦化晶圆表面。III-V 外延层，包括 200 nm 厚 n-InGaAsP（λ_g = 1300 nm）、20 nm 厚 n-InP 和 100 nm 厚 n⁺⁺-InGaAs 层，使用 8 nm 厚 Al₂O₃ 层键合到包含 SiO₂ 嵌入 Si 波导的 SOI 芯片上。n⁺⁺-InGaAs 和 n-InP 区域随后通过电子束（EB）光刻和选择性湿法刻蚀限定。形成相移器的 InGaAsP 区域通过干法刻蚀图案化，随后沉积 610 nm 厚 SiO₂ 包层用于表面钝化。最后，通过电子束蒸发和剥离形成 Ni/Au 金属接触。
测量
对于单个器件的光学表征，来自可调谐激光器（Santec，TSL-510）的连续波（CW）光通过单模光纤经 Si 边缘耦合器耦合进入 Si 波导。使用在线偏振控制器调节输入光的偏振，以激发 Si 波导的横电（TE）模。输出光通过另一个边缘耦合器从 Si 波导耦合进入光纤，并使用光功率计（Santec，MPM-210H）测量。使用精密源/测量单元（SMU；Keysight，B2900A）施加偏置电压。相移器的泄漏电流和电容使用半导体器件分析仪（Keysight，B1500A）测量。对于动态表征，将 CW 光耦合进入器件，并使用脉冲码型发生器（PPG；Anritsu，MU181020A）向相移器施加方波电脉冲。调制后的光信号使用示波器（Keysight，86100D）记录。对于电路级表征，所制造芯片首先通过隐形切割切割，随后抛光芯片端面。将高数值孔径（NA）光纤阵列附着于芯片以进行光学输入和输出。使用 MEMS 光开关将 CW 光路由至所需输入端口。相移器电压使用多通道 SMU（Nicslab，XDAC-120MUB R4G8）独立控制，输出端口处的光功率使用多通道高速光功率计（OptoTest Corp.，OP760）同时测量。封装后芯片使用配备微距镜头（OM System OM-5，M.ZUIKO DIGITAL ED 60mm F2.8 Macro）的无反相机拍摄。
