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#CavitySOI-带空腔SOI晶圆，光刻显影刻蚀键合制作SOI一条龙

摘要
已通过使用3 µm厚的硅绝缘体（SOI）波导，结合腔体-SOI晶圆，展示了节能热光相位调制器。在腔体-SOI中，腔体预先制造在SOI晶圆中，这简化了具有热绝缘加热器结构的波导的加工过程。非对称马赫-曾德干涉热光开关的测量结果显示，与在普通SOI上制造的器件相比，腔体-SOI制造的器件在实现𝑎 𝜋相位移时所需的功率减少了十倍。利用这些腔体，所需的加热功率仅为2.1毫瓦。数值仿真结果与实验结果一致。

关键词: 硅光子学，热光相位调制器，腔体-SOI

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1. 引言

热光（TO）相位调制器广泛应用于集成光子学中，用于控制光学相位。它们相对容易制造，具有宽广的工作带宽，并且几乎适用于所有集成光子学材料平台。此外，它们可以设计为不会对波导引入显著的额外损耗。尽管在调谐速度和能耗方面，硅波导中的热光相位调制器明显不如基于电吸收的器件，但它们仍然是许多光子集成电路（PIC）应用中的重要构建块。热光相位调制器的最重要的操作要求是低功耗、低热串扰和低损耗。

大多数报告在硅光子学波导中热光相位调制器进展的文献，主要集中在常见的薄SOI波导平台上，这种平台的SOI厚度大约为220纳米，可以通过常规的CMOS工艺制造。关于这些薄SOI波导的研究很多，主要聚焦于通过提高加热器的效率来改善性能，从而降低功耗、提高消光比以及加速响应时间。已经有许多高效结构的报告，使用了各种加热器材料，比如不同的金属或掺杂硅。一个基本的热光相位调制器通常包括在波导两侧的掺杂硅或硅化物电阻加热器，或者波导上方的金属电阻加热器。薄硅波导上基本的热光相位调制器的调谐效率通常约为20毫瓦以实现π相位移，调谐速度在几微秒到几十微秒的范围内。已有几种方法报道了提高波导功率效率的技术[1]。Sabouri等人表明，使用掺杂硅加热器而非金属加热器可以实现硅波导的更快调谐[2]。

我们使用的是厚SOI波导，其硅波导层厚度为3 µm。由于它们具有超低的3 dB/m传播损耗[3]、极好的偏振无关性和宽带操作[4]，以及相对较高的光功率容忍度（最高可达1 W），这些波导非常适合许多量子技术[5]、传感[6]、 [7]、[8]和光通信[9]等应用。基于厚SOI波导的热光相位调制器已经通过植入硅加热器实现，其功耗约为20毫瓦[10]。由于较大的硅波导核心，调谐速度比薄SOI器件稍高。

本文将报告在厚SOI波导中，当器件制造在腔体-SOI晶圆上时，热光相位调制器的功率效率显著提升。腔体-SOI晶圆为在加热器结构下添加热绝缘真空腔体提供了一种简单的方法，且在波导制造后无需进行任何后处理的沟槽或硅下腐蚀结构。

2. 设计与仿真

下图中的图1(a)展示了一个基于腔体-SOI的硅条波导相位调制器的示意图。波导的尺寸为 w=2.35μm和 h=3μm，波导下方的腔体尺寸分别为24 µm宽和30 µm深。腔体区域下的埋氧化层（BOX）厚度为1.5 µm。一个掺p型的植入式加热器被放置在波导旁边，留有一个小间隙，确保不会与光波导模式发生渐逝耦合。加热器被植入在一个厚度为300 nm的硅基座层上，如图1(b)中的示意横截面所示。通过在基座层上刻蚀出沟槽（“基座切割”），实现了波导两侧的横向热隔离，直到BOX层，从而实现热光加热波导的热隔离。

图1. (a) 具有植入加热器的硅波导在腔体SOI上的示意图；
(b) 腔体SOI的示意横截面，展示了条形波导、植入加热器以及基座层的贯穿刻蚀切割。

有效折射率变化与平均波导核心温度的关系有效折射率变化作为波导核心平均温度的函数，通过Lumerical模式仿真在二维中计算得出。由于硅的热导率显著高于周围的二氧化硅和空气，因此可以近似认为核心的温度是均匀的。我们将工作波长选定为1.55 µm。1.55 µm波长下，硅的热光系数取为 dn/dT=1.86×10−4在27°C（或300K）时3 µm条形波导的模场如图2(a)所示，计算的有效折射率随波导核心平均温度变化的变化如图2(b)所示。
有效折射率对温度单位变化的变化系数计算为 dneff/dT=1.8711×10−4
。从该图中，我们可以估算出为引起传播的基本TE模的π相位变化所需的波导核心温度变化（dT）。相位变化与有效折射率变化之间的关系可以从公式（1）中得到，其中L是波导加热部分的长度，λ是工作波长。

较长的相位调制器需要较小的有效折射率变化，从而需要较小的温度变化，以实现特定的相位变化。然而，对于较长的加热器，要加热的硅体积也会增加。因此，较长的器件并不本质上更具功率效率。然而，对于较长的波导，加热器两端的金属接触处的热漏将按比例减小。在我们对比标准SOI和腔体-SOI时，我们考虑了加热器长度 L=100μm，这使得π相位变化所需的 Δneff=0.0077因此，从图2(b)中的图表，我们可以得到所需的温度变化 ΔT=41.2K，以实现所需的有效折射率变化。在图3(a)-(d)中，我们展示了当波导核心平均温度升高至341.2K时，标准SOI和腔体-SOI平台的热分布比较，分别展示了有无基座切割的情况。在所有仿真中，晶圆底部的温度作为边界条件保持在300K。

为了表征实际加热器的性能，我们在标准SOI和腔体-SOI平台上设计并制造了相同的测试器件。我们使用的测试器件是一个2×2非对称马赫-曾德干涉仪（MZI），其中一个臂上植入了加热器。MZI由两个2×2的多模干涉（MMI）耦合器组成，这两个耦合器通过两条条形波导连接，波导之间的路径长度差为860 µm。这对应于96 GHz的自由光谱范围（FSR）。腔体位于加热器部分下方。

由加热器引起的光学相位变化将使传输谱按施加的相位变化量发生平移。所需的功率 PπP_{\pi}Pπ 以实现π相位变化，可以通过光谱测量确定，通过观察传输峰值何时发生了半个FSR的偏移。

3. 制造

在本工作中，使用了C-SOI®晶圆[12]。C-SOI®是一种结合腔体硅绝缘体（Cavity Silicon On Insulator，C-SOI）晶圆，它在结合和减薄顶部硅晶圆作为器件层之前，在底部承载晶圆上刻蚀了内建的密封腔体。Cavity-SOI晶圆由Okmetic公司制造。承载晶圆经过热氧化并使用标准光刻方法进行图案化，腔体通过DRIE工艺刻蚀至30 µm深度。去除光刻胶后，去除氧化物掩膜，晶圆进行热氧化处理，然后送往结合工艺。在融合结合后，晶圆通过研磨、化学机械抛光（CMP）进行减薄，最终厚度公差通过离子束修整得到。最后，通过再次进行光刻、红外对准和DRIE刻蚀，将对准标记转移到EC-SOI®晶圆上。这些对准标记在波导加工过程中用于对准波导和加热器，以确保它们精确地位于预制腔体的顶部。

图5展示了波导制造开始前腔体-SOI中不同变体的腔体设计。可以看到，尽管腔体已在晶圆基板中定义并且上面覆盖了BOX和SOI层，但在光学显微镜的暗场（DF）模式下，腔体图案的边缘仍然可以清晰地看到。

波导加工是在VTT的洁净室中进行的。采用VTT的3µm SOI平台上的标准制造工艺流程，制造了各种波导组件，包括肋状波导、条形波导、植入加热器、具有抗反射涂层的波导端面、金属线等。晶圆基板中的埋腔体在所有严格和恶劣的工艺条件下仍能良好生存，如高温、高真空和腐蚀性化学溶液。图6展示了波导形成后其中一个MZI结构中MZI调制臂的顶部显微图像。如图所示，调制臂部分悬挂在腔体上方，在整个过程中未观察到波导断裂和变形。

4. 测量结果

在测量MZI器件之前，我们评估了腔体结构是否对SOI波导的损耗产生影响。
这些测量是通过使用在所有工艺流程中都包括的工艺评估测试结构进行的。测试结构是在同一腔体晶圆上制造的，测试区域位于腔体上方或没有腔体的区域。在这些测试结构中，腔体的位置相对于波导布局是任意的，每条波导穿过多个狭窄的腔体（至少20个）。腔体结构没有在直线波导（图7(a)）或具有较大弯曲的波导中引起显著的额外损耗。只有在非常小的欧拉弯曲情况下，波导的损耗才开始增加（图7(b)）。然而，这仍需要进一步的研究，因为腔体的任意定位可能会产生影响，特别是当腔体的边缘直接位于锐角弯曲部分下方时。最好将腔体完全放置在腔体区域外，或完全放置在腔体区域上方。

通过可调分布反馈激光器（Santec TSL-210）测量MZI器件的传输。
光通过锥形偏振保持（PM）透镜光纤耦合到波导中。输出光通过单模（SM）锥形透镜光纤收集，并通过光电探测器测量。传输到交叉端口和条形端口的光强作为加热功率的函数进行记录。来自电源（Keithley Sourcemeter 2401）的加热电压通过RF微探针施加到加热器的接触垫上。测量使用TE偏振，在大约1550 nm的波长下进行。精确选择波长，以确保没有加热时最大光能连接到交叉端口。通过加热器实现π相位变化，光可以连接到条形端口。图8展示了测量的传输与加热功率的关系。传输在端口之间周期性变化，使用2.6 mW的加热功率可以实现π相位变化。与直线5 mm长的参考波导相比，具有腔体的MZI器件的插入损耗为0.7 dB。

5. 结论

本文展示了使用3 µm厚的SOI波导在腔体SOI晶圆上制造的低功耗热光相位调制器。我们观察到，相比于没有腔体的器件，在腔体SOI上制造的TO MZI调制器实现π相位变化所需功率降低了10倍。π相位变化所需的加热功率仅为2.1 mW（平均值）。数值模拟结果支持了实验结果。本文中所观察到的TO相位调制器调谐效率与热时间常数之间的折衷，也在薄SOI波导上制造的TO相位调制器中得到了验证 [1]。然而，通过适当设计加热器的电子控制，能够显著降低调谐速度 [13]。