双模式MOSCAP硅微环谐振器用于节能模拟光学计算

《ACS Photonics》：Dual-Mode MOSCAP Silicon Microring Resonator for Energy-Efficient Analog Optical Computing

　　

硅微环谐振器已成为光学神经网络（ONNs）的关键构建模块；然而，实现低电压运行对于可扩展光子硬件仍是一个关键挑战。在此，研究人员展示了一种亚伏特硅微环谐振器，其采用金属-氧化物-半导体电容器（MOSCAP）结构，并由高迁移率透明导电氧化物（HMTCO）作为栅极。高迁移率抑制了自由载流子吸收，从而在保持高Q因子（Q-factor）的同时实现了175 pm/V的大电光效率。这带来了超紧凑的V_πL（0.09 V·cm）、仅需0.5 V驱动电压即可达到大于6 dB的消光比（ER），以及13.5 fJ/bit的能量效率。此外，MOSCAP配置可根据栅极偏压实现积累和耗尽模式的双模式操作，在单一结构中同时实现模拟和非线性光子响应。在积累模式下，该器件提供连续、单调的谐振调谐，实现亚伏特电摆幅下的模拟光学权重编码，已验证5位和6位分辨率。相比之下，在耗尽模式下，该器件产生本质上非线性的传输曲线，可通过探测波长失谐近似选择sigmoid和反向soft-ReLU激活函数，无需任何额外非线性元件。通过在单一紧凑结构中实现模拟权重编码和非线性激活，这种双模式MOSCAP硅微环谐振器（MRR）为可扩展、节能的集成ONNs建立了一个多功能构建模块。

**论文解读：双模式MOSCAP硅微环谐振器实现节能模拟光学计算**

**研究背景与问题**
随着人工智能和大型机器学习模型的快速发展，传统电子计算硬件面临“存储墙”和“能量墙”的瓶颈。光学神经网络（ONNs）凭借亚纳秒延迟和数量级能效提升成为变革性替代方案。在ONNs中，矩阵向量乘法（MVM）是主要计算负载，直接映射到物理硬件。硅微环谐振器（Si-MRRs）因其紧凑尺寸、波长选择性及波分复用（WDM）并行能力，成为ONNs的核心构建模块，承担可编程突触权重和非线性激活函数两大角色。然而，现有方法面临关键挑战：一方面，大多数光子器件为线性响应，实现高效非线性激活困难，通常需依赖外部元件或级联架构，增加系统复杂度、能耗和面积；另一方面，主流硅光子谐振器基于反向偏置PN结的等离子体色散效应，驱动电压常超过2 V，与CMOS逻辑电平不匹配，限制了能效和集成密度。因此，亟需开发一种能在单一紧凑、节能平台上同时支持线性权重编码和非线性激活的统一光子器件。

**研究内容与结论**
本研究提出并演示了一种基于IHO（氢掺杂氧化铟）栅控MOSCAP硅微环谐振器，实现了双模式操作。该器件在积累模式下以亚伏特电摆幅（0.5 Vpp）实现5位和6位模拟光学权重编码；在耗尽模式下，通过探测波长失谐，无需额外元件即可获得近似sigmoid和反向soft-ReLU的非线性激活响应。关键性能参数包括：175 pm/V的调谐效率、约0.09 V·cm的V_πL、13.5 fJ/bit的开关能量，以及大于6 dB的消光比（ER）。该工作将权重编码与非线性激活集成于同一器件平台，为可扩展、节能的集成ONNs提供了多功能构建模块。论文发表在《ACS Photonics》。

**关键技术方法**
研究人员采用的主要技术方法包括：
1. **器件设计与制备**：基于p型绝缘体上硅（SOI）平台，制作300 nm宽、300 nm厚硅脊波导，微环半径为8 μm，总耦合间隙为300 nm。器件采用MOSCAP几何结构，有源区覆盖约67.5%的微环周长（33.9 μm），包含10 nm HfO₂栅介质（原子层沉积）和14 nm IHO栅层（射频溅射）。Ni/Au电极通过热蒸发形成欧姆接触。
2. **电光表征**：使用连续波激光器测量传输光谱，通过施加栅极电压（-1 V至+1 V）记录谐振偏移和Q因子；采用电容-电压（C-V）和泄漏电流测量评估MOSCAP电学特性。
3. **大信号电光测试**：在积累模式下，施加离散电压级模拟多位权重编码，通过积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）评估线性度。在耗尽模式下，测量不同探测波长失谐下的传输曲线，拟合sigmoid和反向soft-ReLU函数。

**研究结果**

**DC与电学表征**
通过测量传输光谱，发现器件在0 V偏压时加载Q因子约为12000，且几乎不随偏压变化，表明高迁移率IHO有效抑制了自由载流子吸收。谐振调谐效率在-1 V至+1 V范围内呈非对称性：负偏压（积累）产生蓝移，正偏压（耗尽）产生较小红移。提取的等效V_πL约为0.09 V·cm，总有效传播损耗约47.6 dB/cm。C-V曲线显示积累和耗尽平台，平带电压偏移仅66 mV，表明低界面态密度。泄漏电流在10^?14 A量级，静态功耗亚飞瓦级。动态开关能量估算为13.5 fJ/bit（基于有源电容216 fF，0.5 V电压摆幅）。

**积累模式下低电压光学权重编码**
在积累偏压（V<0）下，器件表现出单调、连续的传输响应，0.5 Vpp（-0.25 V至-0.75 V）摆幅内消光比大于6 dB，插入损耗低。通过施加离散电压级，实现了5位（32个电平）和6位（64个电平）模拟权重编码。5位操作时线性拟合R2=0.9926，最大|INL|为1.64 LSB，最大|DNL|为0.31 LSB，DNL小于0.5 LSB确保单调性且无缺失码，INL限制的有效位数（ENOB）为4.29位。6位操作时R2=0.9951，最大|INL|为2.46 LSB，最大|DNL|为0.38 LSB，ENOB为4.70位。6位时INL增大源于MRR洛伦兹传输函数的固有非线性，可通过一次性查找表校准补偿。

**耗尽模式下非线性激活**
在耗尽偏压（V>0）下，器件表现出明显的非线性光学响应。当探测波长设置较小失谐时，传输曲线呈平滑的S形，与sigmoid拟合良好（k=4.52 V?1，V?=1.256 V，动态范围3.72 dB，RMSE=0.019，R2=0.996）。当采用较大失谐时，曲线呈现高传输平坦区后跟陡峭过渡，近似反向soft-ReLU（k=4.79 V?1，V?=0.901 V，动态范围4.80 dB，RMSE=0.015，R2=0.995）。两种激活函数均通过调节探测波长失谐选择，且过渡区单调、饱和区平坦度低于1%光摆幅。耗尽模式电压摆幅较宽，但得益于累积加权求和后的光功率，并不构成实际限制。

**性能基准对比与讨论**
通过与先前报道的亚伏特Si-MRR进行比较，本工作实现了最低的V_πL（0.09 V·cm）和竞争力的开关能量（13.5 fJ/bit），位于V_πL-能量散点图的左下区域。相比PN结型器件（V_πL>0.6 V·cm，能量4-7 fJ/bit）和先前MOSCAP器件（0.12 V·cm，53 fJ/bit），本工作在调制效率和能耗之间取得了更优平衡。此外，本器件在单一平台上实现权重编码与非线性激活，是单功能调制器无法比拟的功能优势。

**结论**
高迁移率透明导电氧化物栅控硅微环谐振器为低电压、节能光子神经网络硬件提供了极具吸引力的平台。本研究演示的IHO栅控MOSCAP Si-MRR实现了175 pm/V的调谐效率、约0.09 V·cm的V_πL以及13.5 fJ/bit的器件级开关能量。MOSCAP架构支持偏压依赖的双模式操作：在积累模式下，连续单调谐振调谐在0.5 Vpp电摆幅内实现5位和6位模拟光学权重编码；在耗尽模式下，通过探测波长失谐获得sigmoid和反向soft-ReLU激活响应，无需额外光子元件。这两种功能在同一器件上实现，仅通过施加偏压极性区分。这些结果在单个Si-MRR平台上建立了集成ONNs的器件级原语——模拟权重编码和非线性激活，为多器件MVM阵列演示和系统级光子计算奠定了基础。