撰稿|由课题组供稿
近日，华中科技大学的张新亮教授和董建绩教授团队、胡彬教授团队合作提出了一种基于掺氢氧化铟（IHO）微加热器的热光移相器，在绝缘体上硅（SOI）上实现了高效、快速、低损耗的热光调谐，实验成功演示了最快响应时间为970 ns/980 ns（上升时间/下降时间），相应测量带宽为385 kHz，π相移功耗为9.6 mW，插入损耗约0.5 dB的热光移相器。相关工作以An Efficient, Fast-Responding, Low-Loss Thermo-Optic Phase Shifter Based on a Hydrogen-Doped Indium Oxide Microheater 为题，于6月29日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》。
低功耗、高速度、大带宽和互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容性等优势使得硅光子集成电路（PICs）成为通信革命的核心。移相器作为实现相位调谐的基本光子器件，在光学相控阵、光学神经网络和集成光量子等PIC应用中均需要进行大规模集成。热光移相器利用微加热器加热波导实现相位调谐，具备易制作、低成本且结构紧凑的优势，被广泛应用在大规模PICs中。然而，传统的金属微加热器在进行热光调谐时需要厚的光绝缘层以避免吸收损耗，这会导致最终热光相移器的高功耗和低响应速度，限制了需要快速响应热光调谐的应用场景。新兴的二维材料微加热器又面临着制备和转移过程复杂，实际应用中产率低的难题。
针对以上问题，为了实现具备优秀热调性能和成熟集成工艺的移相器，本研究提出用IHO材料直接覆盖硅波导进行热调的方案，如图1所示，并通过马赫-曾德尔干涉结构（MZI）测得了该相移器的性能参数。
IHO材料由于自身的高迁移率和低载流子浓度，在具备高导电性的同时有着远超商用透明导电氧化物氧化铟锡（ITO）的近红外波段高透明度，如图2所示，从而能够作为微加热器直接覆盖硅波导而只引入低损耗。
图1. a) 移相器的3D结构图；b) 移相器的截面图；c) MZI 结构的显微图像；d) 移相器截面的扫描电镜图像；e) IHO薄膜的厚度测量结果。
图2. a) IHO和ITO的透射率对比；b) IHO薄膜覆盖前后的MZI透射谱；c) 仿真光场分布；d) 仿真温度分布。
此外，IHO材料室温下的磁控溅射生长过程，使其能够通过成熟的剥离工艺进行图案化，有利于进行高精度的大规模集成。经过实验测试，我们的移相器具有着功耗低（9.6 mW）、快速响应（970 ns/980 ns）和低插入损耗（≈0.5 dB）的优点，且其稳定成熟的制作流程对进一步开发大规模的集成系统具有重大优势。
图3. a) 不同功率下的MZI透射谱；b) 透射谱相移曲线；c) 调制信号和输出信号；d) MZI幅频响应曲线。
本工作基于直接覆盖波导结构的IHO微加热器实现了低功耗、快速响应、低插入损耗的热光移相器，且IHO微加热器的生长及图案化可分别通过成熟的磁控溅射以及剥离工艺进行，有望应用于大规模集成光子系统中。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和湖北光谷实验室创新科研项目的资助。华中科技大学的董建绩教授和胡彬教授为论文的共同通讯作者，博士研究生童炜宇和杨尔琪为论文的共同第一作者，杨荣贵教授和钱鑫教授团队进行了热导表征。
论文信息
Tong, W., Yang, E., Pang, Y., Yang, H., Qian, X., Yang, R., Hu, B., Dong, J., Zhang, X., An Efficient, Fast-Responding, Low-Loss Thermo-Optic Phase Shifter Based on a Hydrogen-Doped Indium Oxide Microheater. Laser Photonics Rev 2023, 2201032.
论文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202201032
