摘要
本文介绍了一种基于绝缘体上锗（Ge-OI）光子平台的热可调谐微环谐振器（MRR），该谐振器专为中红外光谱仪应用而设计。得益于锗优异的热光效应，我们通过严谨的光学和热学数值分析，表征了该热可调谐Ge-OI MRR的光学和热学特性。基于仿真结果，我们成功地将一个环形金加热器集成到Ge-OI MRR中。该MRR采用直接晶圆键合工艺制造，随后进行电子束光刻和干法刻蚀。通过热反射显微镜观察，我们发现施加的偏置电压会将热量传递到金加热器，从而引起锗内部的温度变化。在光学测量中，集成加热器的锗-光绝缘体微环谐振器（Ge-OI MRR）在4.2μm波长处无偏置电压下展现出33.7 nm/W (0.36 nm/K)的调谐率和21k的负载品质因子。因此，我们展示的用于中红外光谱仪的锗-光绝缘体可调谐环形滤波器有望成为一种利用光子集成电路在光通信和光谱传感等领域具有广泛应用前景的技术。
引言
在过去的几十年里，光子集成电路（PIC）的研发推动了片上技术的进步。PIC技术实现了范式转变，使得紧凑型多功能器件的制造成为可能。硅（Si）是支持这些器件的最有价值的平台之一，而绝缘体上硅（SOI）技术则实现了数据通信，包括量子技术。特别是，采用这种基于硅的PIC技术的光子集成光谱仪在从环境监测到医疗诊断等各种应用中发挥着关键作用。与传统光谱仪因机械部件而导致体积庞大、成本高昂的缺点不同，基于PIC的光谱仪利用片上集成原理，将包括激光器和探测器在内的关键光学元件集成到单个芯片上。
对于片上光谱仪，已采用典型的结构配置，例如阵列波导光栅（AWG）、布拉格光栅结构和微环谐振器（MRR）。其中，MRR由于其谐振峰的线宽较窄，能够实现更高的光谱分辨率，从而进行精确的光谱分析。特别是，集成加热器（TiN）的MRR的傅里叶变换光谱仪在1528 nm波长处展现出亚纳米级（0.15 nm）的极窄线宽。因此，这些光子集成电路（PIC）提供的窄线宽最终有助于显著降低光谱仪中的串扰，同时实现高分辨率。
随着中红外（IR）传感技术的最新进展，基于PIC技术的光谱仪在中红外波段的应用日益受到重视。片上光谱仪研究特别关注中红外波段，旨在提供与分子振动相关的宝贵光谱信息，从而实现对光吸收的精确识别和分析。探索中红外光子集成电路（PIC）平台上的应用潜力已成为提升光谱传感能力的关键途径。
锗（Ge）基平台充分利用了光子集成电路（PIC）技术的优势以及锗的独特性能。这种结合为开发紧凑高效且适用于中红外光谱分析应用的片上光谱仪铺平了道路。锗作为中红外波段极具潜力的平台材料之一，因其在中红外波段具有宽带透明和高折射率等显著特性，在光子集成电路领域展现出强大的应用前景。这些特性非常适合中红外波段的高效光-物质相互作用，使其成为实现中红外光子器件的理想候选材料。此外，作为一种半导体，锗与CMOS工艺具有高度兼容性，这使得其能够像硅一样实现大规模生产和集成。
本文展示了一种用于中红外片上光谱仪的热可调谐锗-氧碘微环谐振器（Ge-OI MRR）。通过光学和热学模拟，我们表征了不同折射率下Ge-OI MRR的透射曲线，这些折射率随锗的TO系数和温度（T）变化而变化。随后，我们在Ge-OI MRR顶部集成了一个环形加热器，并在其顶部包层中加入了一层Y₂O₃中间层。Ge-OI晶片采用直接晶圆键合工艺制备。在进行光学测量以验证锗有效折射率变化引起的谐振频率偏移之前，我们利用热反射显微镜在器件施加偏置电压的情况下，测定了Ge-OI MRR的实际温度变化。
Fig 1.（a）用于中红外波段的热可调Ge-OI微环谐振器（MRR）示意图，以及用于显示几何参数的放大横截面图和俯视图。（b）室温下，Ge-OI波导顶部包层Y2O3上加热器的模式电场分布和有效折射率。
设计与制造
图1(a)展示了所提出的热可调谐环形滤波器，该滤波器通过在Ge-OI微环谐振器(MRR)的Y₂O₃顶层包层上形成环形Au加热器而制成。几何参数，包括Ge层厚度(HGe)、环宽(Wring)、总线波导宽度(Wbus)以及环-总线间隙(G)，均经过优化，以确保达到最佳耦合条件，并在4.2 μm波段实现高品质因子(Q值)和消光比(ER)。
为了在保持低光损耗的同时高效地将热量传递到锗波导，我们选择了厚度为1.2 μm的Y₂O₃层。考虑到包括锗中的自由载流子吸收（FCA）在内的所有光损耗，计算得到的传播损耗为3.08 dB/cm。锗中的FCA损耗为0.69 dB/cm，Y₂O₃层的吸收损耗为0.32 dB/cm（7.4%的损耗）。相比之下，不含顶部包层的波导的传播损耗测量值为0.92 dB/cm，其中Y₂O₃的损耗约为0.1 dB/cm（2.3%损耗）。因此，观察到的损耗增加至3.08 dB/cm（相差2.16 dB/cm）归因于Au和Y₂O₃包层相关的材料损耗。值得注意的是，由于波导中模式限制的降低，热可调Ge-OI MRR中的FCA损耗略微降低了0.09 dB/cm。计算得到的集成加热器的Ge-OI MRR的传播损耗（包括弯曲损耗）降低，并在环半径超过15μm时达到3 dB/cm的饱和值。此外，为确保在施加于电极的电压下防止加热器击穿，8μm的宽度被认为是获得稳定I-V特性的合适选择。
Fig 2.(a)通过改变锗的温度（300–360 K）和在4.2μm波长处的锗的热光系数，研究锗在中红外波段的折射率。(b)热可调锗光绝缘体波导的有效折射率随温度的变化。(c)通过对锗光绝缘体微环谐振器(Ge-OI MRR)进行三维时域有限差分(FDTD)仿真，计算得到的传输曲线（单位为dB）。通过改变锗的折射率（基于其热光系数）来改变传输曲线。
利用温度相关的Sellmeier方程和校准系数，我们确定了锗在4.2 μm波长处，温度范围为300–360 K时的温度系数(dnGe/dT)为4.27 1，如图2(a)所示。在分析中，我们忽略了由于锗的存在而产生的热光系数。图2(b)显示，其温度相关的值K显著低于我们通过本征模求解器模拟得到的热可调Ge-OI微环谐振器横截面波导的有效折射率。因此，温度升高导致锗的有效折射率增加，从而导致谐振波长向长波方向移动。
根据我们Ge-OI MRR的几何参数[图3(a)]，我们通过热传递模拟（Ansys Lumerical）分析了Ge环内的温度分布，并对加热器施加了功率(P)。所有材料的热性能，包括密度、比热容和热导率，均基于参考文献中的参数进行了仔细考虑。特别地，Y₂O₃的热导率被认为是12.2 W/(m·K)，42考虑到其由于溅射沉积工艺导致的低结晶度，其热导率较低。如图3(b)所示，在20–200 mW的功率P范围内，Ge中心(z 0.25 μm)处的微环谐振器(MRR)的二维温度映射图呈线性增加。二维等值线图中重叠的黑色实线表示Ge波导。观察到从Au加热器到Ge环结构的有效热传递，热量集中在Ge附近，保持了由Au加热器形状决定的热分布。
然而，如图3(d)所示，观察到的沿-z方向的热传导可归因于Y₂O₃相对较低的热导率。如图3(c)所示，加热效率（即温度随施加功率变化的变化率(∆T/∆P)）为96 K/W。据此，考虑到∆λ/∆T [图2(c)]为0.61 nm/K，计算得出谐振变化(∆λ/∆P)为58.56 nm/W。
通过光学和热学分析，我们在制备Ge-OI晶片后，成功制备了热可调Ge-OI微环谐振器(MRR)。图4(a)展示了该器件的制备流程。
Fig 3. (a)热调谐型绝缘层上锗微环谐振器（Ge‑OI MRR）示意图，其中金加热器宽度Wht、加热器厚度Hht、上包层厚度Htc分别为8μm、0.1μm和1.2μm。(b)不同施加功率P（20‑200mW）条件下，绝缘层上锗微环谐振器在锗层中心（z=0.25um）处的仿真温度分布。(c)对应图(b)工况下，绝缘层上锗微环谐振器中锗层的温度。(d)施加功率P=100mW时，绝缘层上锗微环谐振器的截面温度分布
Fig 4.（a）集成在Ge-OI MRR上的Au加热器的制造工艺流程。（b）所制造的热可调Ge-OI MRR的光学显微镜图像，包括Ge-OI MRR、顶部包层Y2O3沉积和Au加热器形成。
表征与讨论
图5(a)显示了集成在Ge-OI MRR上的加热器的放大光学显微镜图像。8μm宽的Au加热器已在Ge-OI MRR上进行了精细加工。为了通过改变施加电压(V)来降低输入功率，我们在3 V至3 V的欧姆区范围内进行了电流-电压(I-V)特性测量，如图5(b)所示。插图表格列出了施加1 V、2 V和3 V偏置电压时对应的功率值，分别为36.69 mW、139.62 mW和313.96 mW。此外，为了验证Au加热器上的发热情况，我们使用韩国Nanoscope Systems的热反射显微镜(TRM250)进行了分析，如图5(c)和5(d)所示，该分析采用了TRM测量装置。TRM是一种非破坏性技术，它利用温度变化(ΔT)引起的表面反射率(R)的变化，生成亚微米级高分辨率二维热图像，从而实现二维温度映射。TRM的基本原理在于其能够检测由温度变化引起的表面反射率变化。热反射系数(κ)的校准涉及确定温度引起的表面反射率变化(ΔR/R)与相应温度变化(ΔT)之间的线性关系，
表示为 ΔR/RκΔT。考虑到在0 V电压下反射率无变化，难以记录温度变化，我们在电极上施加了接近零的电压，如图5(c)所示。为了增强对锗波导侧温度变化的检测，我们将显微镜的焦点与锗-OI波导平面精确对准。在2.3 V (P 181.7 mW)的偏压下，TRM图像
如图5(d)所示，显示出清晰的温度分布。在总线波导区域附近未观察到明显的热量产生，而在环形结构中则观察到显著的热响应（∆T 17 K），这与功率P为180 mW时的热量模拟结果高度吻合[图3(b)]。此外，在金属焊盘到环形加热器的狭窄区域内也出现了明显的热量产生（∆T 36 K）。这些发现突显了环形结构内的局部加热效应和高效能量传输。总线波导区域未观察到热量产生表明环形结构内实现了有效的热隔离和热量限制，证明了所采用的金属加热器的热功能和效率。在0–3 V的偏置电压范围内，温度与功率呈线性关系，实验测得的加热效率为93.6 K/W，与仿真结果的预测值(96 K/W)非常吻合。
Fig 5. (a) Ge-OI MRR的放大光学显微镜图像。(b) Ge-OI MRR上Au加热器的线性I-V特性曲线。(c)热可调Ge-OI MRR在接近零偏置电压和(d) 2.3 V偏置电压下的热反射显微镜图像。
图6(a)展示了在0 V偏置电压下，对集成加热器的Ge-OI微环谐振器(MRR)在4.2μm波长处的透射率进行高分辨率测量，以提取其品质因数(Q值)。Ge-OI MRR的表征采用我们基于中红外光纤(InF3)的波导测量装置，并集成了电学表征系统(Keithley 2400)。中红外光源为外腔量子级联激光器(EC-QCL; MIRcat-QT, Daylight Solutions)，并由MCT探测器(PVI-4TE, VIGO Photonics)检测。此处，EC-QCL的线宽小于100 MHz，波长扫描步长为0.05 nm，通过调整特定的时间常数和记录时间，利用我们开发的定时触发功能来解析数据。测量装置的光学部分与我们之前的研究中使用的系统相同。由于我们设计和制造的Ge-OI光栅耦合器在TE模式下于4.2μm波长处具有最高效率，因此通过记录最高透射率，将中红外光以TE偏振耦合到波导中。透射光谱（红色方块）采用非线性最小二乘法（NLSQ）（黑色虚线）进行洛伦兹曲线拟合。负载品质因子（Qload）为21084，对应的固有品质因子（Qint）为31338，消光比（ER）为9.23 dB，如图6(a)插图所示。由于Y₂O₃包层区域上方存在Au加热器，导致波导损耗增加，Q因子较之前的Ge-OI微环谐振器（MRR）结果（Qint 120k）有所下降。
此外，随着间隙被Y₂O₃填充，环波导和总线波导之间的耦合强度增强，导致过耦合状态，消光比（ER）较之前的结果有所降低，这归因于环波导和总线波导之间耦合损耗的降低。此外，包层上方形成的金属焊盘对也降低了耦合效率。由于这种耦合损耗效应，测得的Q因子降低了约一半（Qint 31338）。
相比之下，仅考虑波导损耗的公式计算得到的理论Q因子为60534。尽管金属线造成了光学损耗，该器件仍展现出亚纳米级线宽（0.199 nm）。图6(b)展示了在不同偏压（1 V、2 V和3 V）下测得的热可调谐Ge-OI MRR的透射曲线，每组数据均已归一化至其光谱最大值。随着施加电压的增加，光谱发生明显偏移，这对应于Ge的热光效应导致的折射率增加。图6(c)以线性尺度放大光谱，以确认三种不同偏压下的共振偏移，结果表明，在1 V、2 V和3 V的施加电压下，偏移量(∆λ)分别为1.94 nm、4.06 nm和6.36 nm。这些偏移是由焦耳热引起的，焦耳热是由施加的功率值（由I-V曲线获得）在Ge-OI MRR上产生的。这导致线性拟合可调谐性为33.7 nm/W，对应于0.36 nm/K。实验值与计算值（0.61 nm/K）之间观察到的可调谐性差异可能源于一些变化，例如室温下分析的Sellmeier模型的局限性以及溅射Y2O3的TO系数的调整。由于我们的微环谐振器(MRR)的环半径相对较大(63.5μm)，可能无法实现显著的可调谐性。然而，减小环半径可以减小加热器尺寸，从而在相同温度下降低热调谐引起的谐振偏移所需的施加偏置电压，前提是弯曲损耗的劣化不会影响损耗特性。
Fig 6. (a)高分辨率透射测量，用于估算Ge-OI MRR在4.2μm波长处的Q因子。(b) Ge-OI MRR热调谐光谱的归一化透射率。(c)施加1 V、2 V和3 V偏压时的热共振偏移。(d) 4.2μm波长处热调谐过程中的共振。
图6(d)显示了在4.2μm波长处，热调谐电压从0 V到3 V变化时的归一化透射率。由于施加正偏压时共振峰向长波方向移动，因此观察到波长比共振低一个数量级的峰（位于4.2μm附近）也发生了移动。基于测量的透射率，这种热调谐行为与周期为1 V的正弦函数的绝对值在2.5 V范围内吻合良好，但光谱中下一个峰的出现发生在施加2.5 V之后。这种在单一波长下对微环谐振器(MRR)的有效热调谐表明该器件对温度变化具有响应性，从而能够实现精确的波长调节和可靠的光谱测量。因此，我们热可调的Ge-OI MRR能够精确控制和操纵中红外光谱仪的光学共振，正如观察到的单位功率共振偏移所证明的那样，这为相位调制和光学传感等新型应用开辟了道路。
为了提升基于我们提出的具有热调谐功能的Ge-OI微环谐振器（MRR）的中红外光谱仪的性能，实现高分辨率和低串扰光谱仪需要提高品质因数（Q值）。如图7(a)所示，通过增加Y₂O₃层的厚度可以有效应对这一挑战。计算表明，加热器集成波导的传播损耗随着Htc厚度的增加而显著降低。
虽然已有少量关于基于锗平台、可进行热调谐的中红外微环谐振器（MRR）的报道，但我们仍将本研究结果与之前的研究进行了比较，这些研究提供了光谱仪技术的温度可调谐性和线宽数据，如图8所示。我们仅使用简单的环形结构，便在中红外波段实现了高可调谐性和优异的线宽，因此我们预期通过增强耦合强度或使用诸如跑道形或游标滤波器等结构进行额外的自由光谱范围（FSR）调谐，可以进一步提升性能。
Fig 7. (a)当Htc分别为0.6μm和2.0μm时，通过改变Htc和电场分布计算传播损耗。(b)由损耗[图7(a)]和折射率（插图）计算理论Qint。(c) Ge-OI MRR的温度随Htc的变化以及功率P为150 mW时的温度分布。
结论
因此，我们展示了一种利用锗-氧化铟（Ge-OI）微环谐振器（MRR）实现的可调谐中红外光谱仪的实验演示。该MRR通过在Y₂O₃包层上集成一个简单的金加热器而实现。通过对MRR的传输和热响应进行全面的仿真，我们成功地利用直接晶圆键合工艺制造了集成加热器的Ge-OI MRR。随后，为了验证金加热器的实际温度升高，我们采用热反射显微镜（TRM）测量装置来确认Ge-OI MRR的温度变化。尽管由于靠近金属，MRR表现出略高的传播损耗（3.08 dB/cm），但Ge-OI MRR的品质因数（Q值）仍然很高，在4.2μm波长处负载品质因数为21k，调谐范围为33.7 nm/W（0.36 nm/K）。通过进一步优化结构，中红外光谱仪在光谱分辨率和加热效率方面性能可显著提升。我们认为，这种基于Ge-OI平台的热调谐技术有望成为中红外光谱仪的领先候选方案。
审核编辑 黄宇
