Intel通过Ge离子注入实现微环共振波长的精确控制

这篇笔记介绍下Intel在微环方面的最新进展，他们通过在微环波导中注入Ge离子，控制退火温度与时间，实现Si波导在非晶态与晶体之间的转换，从而精确控制微环的共振波长。

前面的笔记中(微环谐振器基础(1)，微环谐振器基础(2))，已经对微环谐振器做了比较多的介绍。因为其对工艺特别敏感，实际加工出的微环共振波长往往与仿真设计值会偏差较大。常用做法是通过热调的方式，改变波导的折射率，使得其共振波长调整到所期望的波长。但是热调的方式，会带来额外的功耗，并且需要反馈电路进行波长的动态校准。Intel给出了一个可行的post-fabrication方案，其典型的微环调制器结构如下图所示，

(图片来自文献1)

微环中除了PN结和金属热电极之外，还有一小段波导被Ge离子注入了。Ge离子注入区的波导，从晶体变为非晶态，从而引起折射率的变化。当通过金属热电极提供一个较高的退火温度时，该段波导又会转化为正常的晶体状态，如下图所示，退火前后可以明显观察到波导状态的变化。通过控制退火温度与加热时间，可以实现对波导折射率的准确调节，从而达到对微环波长的精确控制(trimming)，如下图所示。

（图片来自文献1）

下图给出了微环共振波长与金属电极功率的变化曲线，波长最大可蓝移8.5nm，在功率小于350mW时，波长基本没有移动。功率在550mW左右的时候，可以达到一个FSR的波长变化。这张图里，小豆芽有一点小的疑问，如果不考虑Ge离子注入的影响，通常金属热电极加热，会导致共振波长红移，但这一点似乎没有在下图中有所体现，波长一直保持蓝移的趋势。可能是Ge离子退火前后带来的折射率变化更大。

(图片来自文献1)

得到上述的功率值后，Intel首先验证了die级别该方案的可行性，通过监控微环的光电流最大值，得到共振波长在每一次加热脉冲后的变化，如下图所示。可以看到，光电流的峰值波长逐渐蓝移，到达目标波长，实现了trimming的功能。此外，研究人员还将trimming后的芯片在275mW的加热环境下，连续工作15小时，并没有发现共振波长的改变，由此可见该方案的稳定性。

（图片来自文献1）

进一步，Intel在wafer级验证了该方案的可行性，采用了12寸的硅光wafer，包含58个die。实验中对于每个die同一位置处的微环调制器，测试了采用该方案后的共振波长，测试结果如下图所示。Wafer加工完后，每个微环调制器的共振波长差异较大，在整个6nm的FSR区间内都有分布，而通过trimming后，每个微环的共振波长都在1310nm附近，只有+-32pm的偏差，前后的结果对比非常明显。每个微环退火所需要的时间不超过半分钟。

（图片来自文献1）

此外，研究人员在实验中也发现Ge离子注入会对调制效率带来一定的影响，他们也提出了下一步优化的方向。

简单总结一下，Intel通过在Si波导中注入Ge离子，通过金属热电极加热实现波导晶体状态的改变，引起折射率的变化，从而达到对微环共振波长的精确控制。并且，Intel在wafer级验证了该方案的可行性。该方案为微环相关的产品量产，提供了一个可行的路线。此外对于小豆芽个人的一点启发，硅光设计与工艺需要深度合作，才有可能解决一些技术上的难点。之前总觉得，设计只能遵循foundry提供的设计规则，戴着脚铐跳舞，会有诸多限制。有时候打破固有的看法，与foundry深度合作，去优化改进工艺，才有可能提出新的解决方案。现在有量产产品的硅光公司，也都是与硅光fab进行深度合作的。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。

参考文献：

1. H. Jayatilleka, et.al., "Post-Fabrication Trimming of Silicon Photonic

Ring Resonators at Wafer-Scale", Jour. Light. Tech. 39, 5083(2021)