硅光芯片为什么要一直给自己加热

编译自 MDPI Materials 2025, 18(12), 2782　·　开放获取 CC BY

光子芯片上有一种开销不太显眼：一部分电路不是用来传信号的，是用来保持温度的。硅的折射率对温度敏感，芯片温度变动几度，谐振器的共振波长就漂开了，信号对不上。于是一颗硅光芯片在正常工作时，往往要持续给某些器件加热。MDPI 的一篇综述梳理了可调谐光子器件在热光和电光两条路线上的进展，把这项开销的来源和它的解法讲了一遍。

硅的折射率跟着温度跑

硅光之所以有这项开销，根子在材料。

硅的折射率随温度变化，这个系数不算小。谐振类器件的共振波长由光程决定，光程又和折射率绑在一起，温度一动，共振峰就跟着移。常见的硅基谐振器，波长漂移速度大概在每开尔文几十皮米。数据中心里的环境温度和芯片自身的发热都在变，几十皮米的漂移累积起来，足够让共振峰跑出激光波长的位置。

这里要分清两种温度敏感度。一种是"热调谐效率"，指的是加热功率能换多少波长移动，越高越省电；另一种是"热漂移"，指的是温度变化带来的非预期波长移动，越低越好。这两个指标的方向是相反的：想让器件好调，往往意味着它也对温度更敏感。设计的难点就在于，怎么在两者之间找到位置。

图1　微环谐振峰随加热功率移动，与激光波长对齐的过程（依据原文第 3 节绘制）

调一个谐振峰要花多少电

热调谐靠的是加热器。综述里给出的一个典型结构是硅的脊形波导，刻蚀深度 260 纳米，宽度 1.2 微米，侧壁角 72 度，上面盖一层 1 微米厚的包层把加热器和波导隔开，减少光学损耗。加热器用钛做，厚度 150 纳米，宽度 2.5 微米。

这套结构做出来的可调滤波器，通带是平的，带内纹波小于 0.3 分贝，3 分贝带宽 4.8 吉赫兹，带外抑制大约 35 分贝。总插入损耗在 14 分贝左右，其中光栅耦合贡献了约 6.5 分贝，片上损耗不到 1 分贝。

关键的数字在后面。要让中心波长移动超过一个自由光谱范围，需要的加热功率大约是 89.4 毫瓦。这个量级听起来不大，但要注意它是持续的、每一路都要付的开销。一颗芯片上有多少路谐振器，就要乘多少倍。这也是为什么热调谐效率是硅光器件的一个核心指标。

一个自然的疑问是，为什么不直接用电压调，而要绕道加热。硅的电光效应很弱，用电信号直接改折射率，效率低，还会在波导里引入额外损耗，器件也做得更大。热调谐慢，响应在微秒量级，但它不消耗光功率，插入损耗小，控制逻辑简单。在需要长时间稳定工作的器件上，热调谐仍是默认选项。热调谐功耗之所以被单列出来算，不是因为它唯一可选，而是在多数对稳定性要求高的场合，它是当下最省心的那一个。

把加热器做透明

提升效率的思路之一是改加热器本身。

传统加热器是金属，压在波导上方，靠包层把热传下去。金属会吸收一部分光，为了减少吸收，包层要做厚，但厚包层又让热传得慢，效率上不去。这是一个两难的格局。

解法是把加热器做成透明的，直接贴在波导芯上。综述提到用石墨烯做纳米加热器，直接接触硅芯，通过这种方式提升热调谐效率。另一条路是用掺氢氧化铟做微加热器，薄膜厚度 70 纳米，比起传统的镍铬合金加热器，它把隔离层做薄到 200 纳米，热传导更好，同时对光的吸收可以忽略。用它做的热光开关，调谐效率做到 1.326 纳米每毫瓦，上升时间 3.90 微秒，下降时间 2.65 微秒，消光比在 25.8 到 27.6 分贝之间。这个消光比说明透明加热器几乎没有带来额外的插入损耗。

还有一类做法是缩小器件的模式体积，让热量集中在很小的区域里。光子晶体纳米束腔就是这类结构，通过在周期性的纳米梁上引入缺陷把光困住，模式体积小、品质因数高。综述里给出的一个器件，有效热光调谐长度只有约 4 微米，加热局域化程度高，调谐性能好，消光比和传统加热器方案相当。

图2　透明加热器的响应时间与不同材料谐振腔的热漂移系数对比（依据原文第 3 节数据绘制）

换一种材料，把温度敏感度压下去

提升调谐效率是一条路，降低温度敏感度是另一条路。

既然硅的热光系数大，那就用热光系数小的材料做谐振腔。综述提到的方案是用氮化硅波导做谐振环。氮化硅的热光系数约 2.45 乘 10 的负 5 次方每开尔文，比硅低一个量级。用它做的环形调制器，实测的热漂移系数小于 2.5 皮米每开尔文，比纯硅结构低很多。

效果体现在工作范围上。这款基于耦合调制的器件，在驱动电压峰值小于 1.2 伏的条件下，能传输 112 吉比特每秒的 PAM4 信号，并且在 20 到 45 摄氏度的范围内都能稳定工作，不需要额外的温控。对一个数据中心光模块来说，这意味着可以省掉一路温控电路和它的功耗。

这条路也有代价。氮化硅和硅之间要做模场转换，工艺上多一步；氮化硅的调制效率本身不如硅，靠的是耦合调制这种别致的机制来换取低驱动电压。它不是把硅光整体换掉，而是在谐振这一类对温度最敏感的器件上，用更稳的材料替代。

换材料解决的是器件本身的敏感度，系统层面还得解决怎么把共振峰稳住。常规做法是给器件配一个温度监测，读出实际温度，再反馈给加热器，把温度锁在设定点上。这个回路本身要耗电，也要占版面，而且有一处内在矛盾：锁得越紧，加热功耗越高；放开一点，器件在高低温环境或自发热时又可能跑偏。所以调谐设计要解的不是单一指标，而是把加热功率、锁定精度和响应速度三者配合到可用的位置。

这笔电费在 CPO 里会被放大

把这些串起来看，硅光的调谐开销有一个特点：它随通道数线性增长。

可插拔光模块时代，一路光器件配一套驱动和温控，通道数有限，这笔开销不显眼。到了共封装光学，光引擎和交换芯片封在一起，单个光引擎的通道数从几路上到几十路，每一路都可能有自己的谐振器和加热器。这时候，热调谐的功耗就从"可以忽略"变成"要专门算的一项"。它和激光器的功耗并列，构成了光互连里两项持续的固定开销。

综述给出的方向有两条：把加热器做透明、做高效，让每毫瓦换到更多波长移动；以及在合适的器件上用低温度敏感度的材料，从源头上减少需要的加热量。两条路指向同一个目标，让光子芯片少花一点电在维持温度上，多花一点在传数据上。

内容来源：MDPI Materials 2025, 18(12), 2782

原文标题：Emerging Trends in Thermo-Optic and Electro-Optic Materials for Tunable Photonic Devices

作者：Muhammad A. Butt（华沙理工大学微电子与光电子研究所）

原文链接：https://doi.org/10.3390/ma18122782

许可协议：CC BY 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）

配图说明：图1、图2 为本文依据原文献数据自行绘制。

改动声明：本文在其基础上进行了中文编译与删节，未改变技术结论与原始数据。

来源：21ic电子网

作者：Ayase