导读
南京大学超导电子学研究所涂学凑教授级高工团队成功开发了一种基于硅平台的芯片上电调谐回音壁模式谐振器（WGMR），该器件专为太赫兹（THz）波段集成电路设计而成。这一创新器件由微环谐振器与集成铂电极组成，通过巧妙利用硅材料的热光效应，在施加电压时产生焦耳热，从而实现谐振频率的动态红移调谐。这种调谐机制不仅简单高效，还确保了器件的低功耗特性。实验结果显示，谐振器在 390 GHz 附近的质量因子（Q因子）高达 199，连续频率调谐率达到 0.40 GHz / W，插入损耗低至 5.5 dB。此外，该器件支持宽范围的频率调谐，并表现出稳定的阻抗匹配性能。研究团队采用标准硅加工工艺，如电子束蒸发和深反应离子刻蚀（DRIE），实现了器件的高精度制造，并通过实验验证了其在太赫兹集成电路中的实际应用潜力。这种紧凑、可集成的设计为动态太赫兹器件提供了高效解决方案，特别适用于可重构滤波器、调制器、传感器以及下一代无线通信系统等领域。论文以“On-chip electrically tunable silicon whispering gallery mode resonator for THz integrated circuits”为题发表于国际期刊 Applied Physics Letters，标志着太赫兹光子学领域的一个重要进展。
研究背景
太赫兹波段（THz）作为电磁波谱中的关键领域，在高速通信、芯片互联、传感、光谱学以及成像等方面展现出广泛的应用前景。近年来，随着集成、紧凑和高性能芯片级太赫兹技术的快速发展，这一波段已成为推动 6G 通信和高密度芯片互连架构的核心驱动力。硅光子集成平台以其卓越的紧凑性、低传输损耗和多功能性，成为未来芯片上太赫兹器件的首选平台。然而，传统固定频率的介电谐振器在面对动态环境时表现出明显的局限性，无法灵活适应多变的应用需求，这限制了其在可重构系统中的推广。
近年来，可调谐太赫兹器件通过外部刺激实现动态调控，已成为学术界和工业界的热点研究方向。其中，热光调谐机制利用材料的热光效应，提供了一种简单、低功耗且高效的调谐方式，但现有芯片上太赫兹谐振器仍面临调谐范围有限、集成难度大以及与标准工艺兼容性差等挑战。回音壁模式谐振器（WGMR）以其高 Q 因子和强场增强特性在光学频率领域广受认可，并在太赫兹波段引起日益关注。然而，在太赫兹波段实现芯片集成和电调谐的报道仍相对稀少。本研究提出了一种创新方案，通过将微环谐振器与铂微加热电极紧密整合，利用硅的热光效应实现电压驱动的谐振调谐。这一设计不仅克服了传统方法的复杂性，还确保了器件与标准波导封装的兼容性，为太赫兹集成光子电路的进一步发展铺平了道路。
核心设计、原理与仿真结果
图1. 可调谐太赫兹 WGMR 示意图，展示了微环谐振器、直波导和集成铂电极的结合，支持电压诱导的热调谐，实现传输谱的红移调控。左上插图为器件截面视图，右插图说明偏压下的传输谱红移和衰减定义。
本研究设计了一种基于硅平台的电压驱动可调谐太赫兹 WGMR（图1）。器件选用高电阻率浮区硅（HRFZ-Si）作为材料基础，这种材料在太赫兹波段表现出低损耗（< 0.025 cm⁻¹）和高折射率（n = 3.416）。微环半径 r = 1800 μm、宽度 w₁ = 200 μm，直波导宽度相同，耦合间隙 g = 10 μm。铂（Pt）电极沿微环弧段沉积，宽度 12 μm、弧长 377 μm，作为电阻加热器发挥作用。基底厚度 h₁ = 60 μm，微环厚度 h₂ = 140 μm，Pt 厚度 100 nm。这一精密设计确保了太赫兹波通过连续全内反射在微环内被有效束缚，从而产生高 Q 因子和强场增强效应，大大提升了谐振性能和传感灵敏度。
图1(b). 电场分布在相同频率下无偏压（A）和有偏压（B）条件下的比较。(c)热调谐工作原理：电压产生焦耳热，提高硅微环温度，通过热光效应改变折射率，实现谐振频率红移。
数值模拟采用 FDTD Solutions 软件进行传输谱和电磁场计算。无 Pt 电极时，350 – 450 GHz 频段平均插入损耗仅为 1.5 dB；集成 Pt 后增至约 2.5 dB，这主要归因于金属吸收损耗。TM 模式显示出更高的消光比（ER ≈ 22.5 dB），接近临界耦合状态，其中腔损耗与波导 – 腔耦合损耗趋于平衡，从而最大化 ER 值。有效折射率 n_eff = 2.55，自由谱间距（FSR）= 6.13 GHz。随着硅折射率从 3.41 增加到 3.42，谐振频率出现红移，输出电场强度从输入的 76% 降至 26%，证明了有效的信号调制能力。
图2. (a) 计算的传输谱，插图为 TM 模式场分布。(b) 硅折射率从 3.41 增加到 3.42 时的传输谱红移。(c) 在 387.6 GHz 下输出电场截面视图：(A) n=3.41（非谐振）与(B) n=3.42（谐振）。
多物理场模拟进一步分析了热分布，使用电磁 – 热耦合模块。硅热导率 130 W / m K，Pt 热导率 71.6 W / m K 和电导率 9.6 × 10⁶ S / m。在 3 W 输入功率下，最大温度达 561 K，系统在约 0.2 s 内达到稳态。频率偏移与功率呈线性关系，计算调谐率为 0.53 GHz / W，为实际热调谐提供了理论基础。这一仿真结果不仅验证了设计的可行性，还突出了热光效应对太赫兹波动态调控的潜力。
图2(d). 3 W 功率下微环稳态温度分布。(e) 监测点 LA、LB、LC 的瞬态温度曲线。(f) 谐振频率偏移与施加功率的关系。
仿真分析表明，这种热调谐机制可实现宽范围的频率调谐，同时保持低损耗和高性能，为太赫兹集成电路中的活性谐振控制提供了坚实支撑。
关键制备工艺 为实现芯片上硅微环与铂电极的兼容制造，研究团队开发了基于标准硅加工的晶圆级方法，这一工艺确保了器件的高精度和可扩展性。
图3. (a) WGMR 制造工艺流程示意图，包括电子束蒸发、剥离和深反应离子刻蚀（DRIE）。
工艺从 HRFZ-Si 衬底开始，首先通过电子束蒸发和剥离技术形成 100 nm 厚 Pt 加热器和接触垫，每微环加热器电阻约 43 Ω。随后，采用 DRIE 过程定义微环谐振器，这种高深宽比硅刻蚀方法适合批量生产，确保了结构的精确性和均匀性。该工艺兼容标准代工厂流程，避免了复杂的外置光学或机械系统，提高了整体集成度。
图3(b). 伪彩色 SEM 图像：黄色为金属电极，蓝色为 WGMR，紫色为硅基底。放大视图突出锥形波导、耦合区和电极。(c) 完成芯片的光学显微照片。
器件通过铝丝键合到印刷电路板（PCB），并集成到 WR2.2 波导模块（325 – 500 GHz）中，提供密封保护以防潮湿和污染物影响，从而增强长期可靠性和操作稳定性。
图3(e). 封装后的器件照片。(f) 电压控制衰减测量配置示意图。
这一制造流程不仅产量高，还具备大规模生产潜力，为太赫兹集成器件的商业化应用奠定了基础。
器件表征与性能验证
图3(d). 用于表征衰减性能的实验装置框图，包括 THz 源、DC 电压源和功率计。
制造的器件显示出良好的结构完整性，测量尺寸（如半径 r = 1798.8 μm、宽度 w = 198.5 μm、间隙 g = 10.8 μm）与设计值高度匹配。使用 THz 矢量网络分析仪（VNA）测量反射（S11）和传输（S21）参数，在 350 – 450 GHz 范围内平均 S11 ≈ -18.9 dB，均低于 -10 dB，表明稳定的阻抗匹配。
图4. (a) 在不同加热功率（0、0.58、1.88、3.35 W）下的 S11 参数。(b) 无偏压传输谱，FSR = 6.13 GHz，平均插入损耗 5.5 dB，最大 ER = 13.8 dB at 391.5 GHz。(c) 388 – 394 GHz 放大传输响应，显示红移调谐。
在 3.35 W 下，实现 1.26 GHz 调谐范围，调谐率 0.40 GHz / W。Q 因子从 199 降至 178，线宽从 1.97 GHz 增至 2.19 GHz，这主要由于热激发自由载流子吸收增强导致的能量损耗。
图4(d). 谐振频率偏移与加热功率的线性关系。(e) Q 因子和线宽随功率变化。
进一步测试显示，在 390.00 GHz 下，插入损耗从 6.5 dB 增至 12.8 dB（衰减范围 6.5 – 12.8 dB）。在 391.50 GHz 下，实现从高衰减到高传输的可逆切换。热成像相机验证了热点温度随电压升高，峰值达 90 °C，微环在 0.2 s 内达到热平衡，支持快速调制。
图5. (a) 390.00 GHz 下传输响应随电压变化。(b) 391.5 GHz 下传输响应。(c) 热点温度随电压变化，插图为 12 V 下热分布图。(d) 四个监测点的平均温度瞬态响应，显示 0.2 s 内达到平衡。
这些实验结果全面验证了器件的优异性能，确认了其在太赫兹应用中的实用性。
总结与展望
本研究提出了一种通用方案，通过整合硅微环谐振器与铂微加热电极，成功实现了芯片上电压驱动的太赫兹 WGMR。热光效应提供了简单、宽范围的调谐机制；集成设计确保了低损耗（5.5 dB）和高 Q 值（199）；标准工艺实现了兼容封装和快速响应。该工作不仅解决了传统调谐方法的复杂性，还为太赫兹集成光子学提供了实用且高效的解决方案。
此平台可进一步扩展，用于构建可重构耦合状态的器件，如芯片上微谐振器和腔体，在高速通信、传感、光谱成像、THz 微系统以及新兴的混合太赫兹微系统等领域具有广阔的应用前景。未来，通过优化热导率和电极设计，可进一步提升调谐速率和效率，推动太赫兹光子器件向大规模集成方向发展。
论文信息
Huilin Zhang, Xuecou Tu*, Ning Zhao, Shuyu Zhou, Dingxuan Gu, Zeyu Xu, Yunjie Rui, Zhanzhang Mai, Bingnan Yan, Ziyao Ye, Heng Tang, Junyi Wu, Shuang Ding, Jun Zhou, Qingyuan Zhao, Labao Zhang, Xiaoqing Jia, Lin Kang, Jian Chen, and Peiheng Wu, On-chip electrically tunable silicon whispering gallery mode resonator for THz integrated circuits, Appl. Phys. Lett. 128, 041101 (2026)