3、热光型波导结构分类
热光型波导结构是硅光芯片中实现光开关、可调谐滤波、光衰减等功能的核心构件。根据波导干涉或耦合机制的不同，主要分为以下四类典型结构：马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型、微环谐振器型、数字型光开关和定向耦合器型。每种结构在工艺复杂度、功耗、响应速度、串扰和带宽方面各有优劣，适用于不同的应用场景。
3.1 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型
MZI型热光结构是最成熟、应用最广泛的热光开关/调制器基础单元。它由两个3dB分束器（如多模干涉耦合器MMI或定向耦合器DC）和两条不等长或等长的干涉臂组成。其中一条或两条臂上集成热电极（TiN或NiCr），通过焦耳热改变波导折射率，从而改变两臂之间的相位差，实现光路的通断或功率分配。
- 加热电极材料：TiN（厚度100–200 nm）或NiCr（厚度50–150 nm）
- 电极与波导间距：0.5–2.0 μm（SiO₂隔离层）
- 典型相移臂长度：200–2000 μm（取决于ΔT需求）
- 功耗：10–50 mW/π相移
- 开关时间：10–50 μs
3.2 微环谐振器型
微环谐振器（Microring Resonator, MRR）型热光结构利用环形波导的谐振条件对波长进行选择性调控。当热电极加热环波导时，有效折射率变化导致谐振波长漂移，从而实现光开关或可调谐滤波器功能。MRR型结构具有尺寸小（半径5–20 μm）、功耗低（1–10 mW/π相移）和波长选择性好的优点，但对工艺精度要求极高。
| 参数 | 典型值 | 工艺约束 |
|---|---|---|
| 环半径 | 5–20 μm | 最小弯曲半径 ≥ 5 μm（避免辐射损耗） |
| 波导-环间距 | 100–500 nm | 光刻分辨率限制（深紫外或电子束） |
| 加热电极宽度 | 1–3 μm | 覆盖环波导顶部，避免偏移 |
| Q值 | 5,000–50,000 | 受波导侧壁粗糙度影响 |
| 调谐效率 | 0.1–0.5 nm/mW | 与热电极-波导间距相关 |
3.3 数字型光开关
数字型光开关（Digital Optical Switch, DOS）基于绝热耦合或Y分支结构，通过热光效应改变波导有效折射率，使光功率在两条输出支路之间实现“数字式”切换（即开关状态而非连续可调）。其典型结构包括1×2 Y分支型、2×2 MZI型和绝热耦合器型。数字型开关的优点是开关消光比高（>20 dB）、对波长和偏振不敏感，但通常需要较长的绝热过渡区（200–500 μm）。
- Y分支角度：0.5°–2.0°（过大会引入辐射损耗）
- 绝热过渡区长度：L_adiabatic ≥ 200 μm（确保模式绝热演化）
- 加热电极覆盖其中一条分支臂
- 典型功耗：30–80 mW（全切换）
- 开关时间：20–60 μs
3.4 定向耦合器型
定向耦合器（Directional Coupler, DC）型热光结构利用两根平行波导之间的倏逝波耦合实现光功率分配。通过热电极加热其中一根波导，改变其有效折射率，从而破坏或增强相位匹配条件，实现光开关功能。DC型结构具有结构紧凑（耦合长度50–200 μm）、功耗较低（10–30 mW）和易于级联的优点，但对波导间距和耦合长度误差敏感。
| 参数 | 典型值 | 工艺容差 |
|---|---|---|
| 波导间距（gap） | 200–500 nm | ±20 nm（影响耦合系数） |
| 耦合长度（L_c） | 50–200 μm | ±5%（影响分光比） |
| 波导宽度 | 400–500 nm | ±10 nm（影响传播常数） |
| 加热电极长度 | 等于或略短于L_c | 对准精度 ±0.5 μm |
3.5 四类结构对比总结
下表从关键性能指标和工艺要求两个维度，对上述四种热光波导结构进行横向对比，便于设计阶段快速选型。
| 结构类型 | 尺寸（μm） | 功耗（mW） | 开关时间（μs） | 消光比（dB） | 工艺敏感度 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MZI型 | 500–2000 | 20–50 | 10–50 | 15–25 | 低 | 光开关、可调衰减器 |
| 微环谐振器型 | 10–50 | 1–10 | 5–20 | 10–20 | 高 | 可调滤波器、波长选择开关 |
| 数字型光开关 | 300–800 | 30–80 | 20–60 | >20 | 中 | 光交换网络、保护倒换 |
| 定向耦合器型 | 100–300 | 10–30 | 10–40 | 15–25 | 中高 | 可调分束器、光开关 |