通过温度驱动逆向设计实现硅光子学多功能性

《Laser & Photonics Reviews》：Multifunctionality in Silicon Photonics Through Temperature-Driven Inverse Design

　　

可编程光子系统的可扩展性依赖于紧凑、低损耗且可重构的构建模块，这些模块能够支持多种光学功能。虽然硅光子学提供了多种可调谐机制，但许多现有方法依赖于谐振架构、扩展干涉路径或异质功能材料，这些会增加器件尺寸、灵敏度或工艺复杂度。这里，研究人员应用了一种温度依赖的协同优化框架，将热可重构性直接嵌入逆向设计过程，从而在单一器件几何结构中实现多种光学功能。利用伴随拓扑优化与硅固有的热光响应，研究人员设计并实验验证了紧凑型1×2光开关（占用3×3 μm²面积）和可重构TE₀–TE₂模式转换器（占用3×4 μm²面积）作为代表性器件。两个器件均表现出低插入损耗（<2 dB）和清晰的热可编程行为，数值结果与实验结果吻合良好。该方法建立了一条通用、CMOS兼容的路径，通向密集、多功能可编程光子电路。

**论文解读：通过温度驱动逆向设计实现硅光子学多功能性**

**研究背景与问题**

随着光通信、光计算、量子信息处理及数据中心互连等领域的快速发展，对高速、低能耗、并行信息处理的需求日益增长，光子学被视为下一代系统的关键技术。硅光子学凭借其CMOS兼容性、低成本和高集成度成为主流平台，但传统直觉驱动设计方法（基于分析模型和经验参数调谐）难以满足大规模集成所需的紧凑尺寸与高性能。逆向设计（inverse design）借助优化算法和人工智能工具，已成功设计出功率分配器、模式转换器、光开关等器件，但大多仅实现单一静态功能。为实现可编程光子电路，需引入可调谐机制，如热光（thermo-optic, TO）效应、电光和机械方法。热光调谐因简单、低成本且CMOS兼容而被广泛使用，但现有方法常依赖谐振结构（如微环谐振器）或异质功能材料（如相变材料，phase-change materials, PCMs），导致器件尺寸大、工艺复杂或损耗高。因此，亟需一种无需额外材料或谐振架构、能直接嵌入可重构性的紧凑设计方法。

**研究内容与结论**

研究人员提出一种温度依赖的协同优化框架（temperature-dependent co-optimization framework），将热光可重构性直接嵌入伴随拓扑优化（adjoint-based topology optimization）过程。通过针对硅在300 K和520 K两种热状态下的折射率进行协同优化，在单一固定几何结构中实现了两种不同光学功能。作为概念验证，设计并实验验证了两个代表性器件：一个面积为3×3 μm²的1×2光开关，在300 K时路由到上波导，在520 K时路由到下波导，插入损耗<2 dB，消光比约9.75–10.4 dB；一个面积为3×4 μm²的可重构TE₀–TE₂模式转换器，在300 K时保持TE₀模式传输至上波导，在520 K时转换为TE₂模式导向下波导，峰值传输效率约?1.24 dB，串扰低至?28.8 dB。器件采用CMOS兼容工艺在SOI平台上制备，集成TiW微加热器，实验测量与数值模拟吻合良好。该工作发表在《Laser》上，为密集、多功能可编程光子电路提供了一条通用路径。

**关键技术方法**

研究人员使用的主要关键技术方法包括：1）伴随拓扑优化（adjoint-based topology optimization），在三维时域有限差分（3D FDTD）仿真中通过正向和伴随电磁仿真高效计算设计变量梯度，实现对离散化设计区域全参数空间的探索，并施加最小特征尺寸70 nm的制造约束；2）温度依赖的协同优化（temperature-dependent co-optimization），将硅在不同温度下的折射率变化（通过热光系数<0.01δT dT dR）直接纳入优化循环，为两个热状态分别定义目标函数，并对同一几何结构进行联合优化；3）热光效应（thermo-optic effect），利用硅的固有热光响应实现折射率调谐，无需外加材料或谐振结构。所有器件基于SOI平台（220 nm硅层，2 μm埋氧层，725 μm硅衬底）设计，采用TiW加热器进行局部热调谐。

**研究结果**

**3.1 光开关与模式转换器的数值分析与性能评估**

研究人员通过温度协同优化框架设计了光开关和模式转换器。光开关在300 K时将输入信号高效路由至上输出端口，在520 K时因热光效应改变折射率分布，将光功率重新路由至下输出端口。数值模拟显示，在1.54–1.56 μm波长范围内，300 K时上端口传输效率高，下端口泄漏低；520 K时行为相反。消光比（ER）在300 K和520 K分别约为9.75 dB和10.4 dB，插入损耗（IL）分别约为0.92 dB和1.19 dB，在20 nm光谱范围内无串扰。模式转换器在300 K时保持TE₀模式输出至上波导，在520 K时将输入TE₀转换为TE₂模式并导向下波导。数值结果表明，在300 K时TE₀最大传输为?1.3 dB；在520 K时TE₀–TE₂转换峰值传输约?1.24 dB，在1.53–1.55 μm窗口内TE₂与TE₀模式串扰约?28.8 dB，与TE₁模式串扰约?20.7 dB。两个器件均通过模拟热响应验证了温度分布均匀性，在48 mW加热功率下实现了目标高温工作状态。

**4 实验验证**

研究人员使用CMOS兼容多项目晶圆（MPW）工艺在SOI平台上制备了器件，采用100 keV电子束光刻和干法刻蚀，随后沉积SiO₂上包层并图案化TiW加热器。实验测量光开关在1.55 μm处，参考状态（300 K）上波导传输为?1.36 dB，下波导为?9.67 dB；加热状态下（约520 K）下波导传输为?1.84 dB，上波导为?13.14 dB，消光比分别约为11.8 dB和8.1 dB，与模拟结果吻合。模式转换器实验测量显示，在参考状态（300 K）下，1.555–1.580 μm波段内TE₀模式主要传输至上波导；加热状态下，1.530–1.555 μm波段内TE₀–TE₂转换主导，下波导中TE₂与TE₁串扰约?18.75 dB，与TE₀串扰约?25.74 dB。实验证实了单一几何结构可支持不同热状态下的可编程模态操作。

**讨论与结论**

讨论部分指出，模拟与测量之间的微小差异源于制造尺寸变化、光栅耦合器波长响应及高温吸收。本研究目标并非超越传统器件性能，而是验证协同优化方法在单一固定几何结构中实现多目标功能的可行性。该方法避免了谐振架构、材料集成等复杂性，具有紧凑尺寸、可接受损耗和消光比、低串扰等优势。通过数值构建1×4光开关网络（由级联的1×2单元组成）和增大尺寸至5×5 μm²的光开关优化，证明了该方法的可扩展性。与现有热光MZI、微环、PCM开关及逆向设计器件相比，本设计在超紧凑尺寸下保持了低损耗和稳定性能。热串扰可通过优化加热器尺寸、增大间距、引入隔热沟槽等布局级手段缓解。未来可通过热工程降低功耗，并在中间热状态编码更多功能。

研究结论部分原文翻译如下：
总之，本工作建立了一种温度依赖的逆向设计方法，将热光可重构性直接嵌入伴随拓扑优化，从而在单一紧凑几何结构中编码不同的光学功能。利用该框架，研究人员设计并实验验证了可编程硅光子学的两个代表性构建模块：超紧凑1×2光开关和可重构TE₀–TE₂模式转换器，两者均在CMOS兼容SOI平台上实现，集成TiW微加热器，数值与实验测量吻合良好。除了在单个组件中实现双态操作外，该方法还可通过跨热状态协同优化额外目标并在布局层面扩展架构，适用于更大的可编程网络和多功能器件。这些结果为温度驱动协同优化作为通往密集、多功能、可制造的可编程光子电路的一般路径铺平了道路。