[发明专利]一种硅波导折射率热光调节结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅波导折射率热光调节结构，属于集成光电子学领域。

背景技术

近几年，集成光电技术发展迅速，器件的尺寸越来越小，芯片的集成度越来越高，光波导的截面尺寸已经缩小到了亚微米尺度。硅材料由于其与空气和二氧化硅之间的高折射率差，具有很强的光限制能力，易于制作亚微米级的光波导器件；其制作工艺与微电子集成电路工艺兼容，既大大减少了成本，又便于实现光电集成，使之成为光电集成芯片最有竞争力的材料之一。许多基于硅波导的无源及有源集成光电器件已经被提出并实现，如光滤波器、光分路器、光调制器等。有源器件中的调节结构，主要通过电或者热作用改变波导折射率，从而改变器件性能，实现器件的可调性，是有源器件重要组成部分。

由于硅材料没有线性电光(泡克耳斯)效应，所以我们需要采用其他方式来实现波导层折射率调节。当前主要利用等离子色散效应和热光效应来实现硅波导折射率调节。对于如何增加调节结构的调节范围，减小调节功耗，加快调节速度，很多国内外机构展开了相关研究。Qianfan Xu等人在OPTICS EXPRESS(Vol.12,No.2)上发表的论文“12.5Gbit/s carrier-injection-based silicon micro-ring silicon modulators”中提出p-i-n电调节结构，利用载流子色散效应，通过正向偏压注入载流子来改变折射率；这种结构波导折射率调节范围较大，但响应时间较长，而且载流子注入会增加吸收损耗。Ansheng Liu等人在OPTICS EXPRESS(Vol.15,No.2)上发表的论文“High-speed optical modulation based on carrier depletion in a silicon waveguide”中提出用p-n电调节结构，通过反向偏压抽取载流子来改变折射率；这种结构的响应时间较短，但由于反压电流小，折射率调节范围小。Xi Xiao等人在OPTICS EXPRESS(Vol.20,No.3)上发表的论文“25Gbit/s siliconmicroring modulator based on misalignment-tolerant interleaved PN junctions”中提出用交趾p-n电调节结构，同样通过反向偏压抽取载流子，但通过交趾设计使得p-n耗尽层与光场重叠区更大，该结构相对于p-n电调节结构具有更高的调节效率。Jaime Cardenas等人在OPTICS EXPRESS(Vol.18,No.25)上发表的“Wide-bandwidth continuously tunable optical delay line using silicon microring resonators”中利用硅的热光效应，在波导上方制作金属热电阻，通过加电发热并通过传导热量来改变波导温度，从而调节波导有效折射率；这种结构折射率调节范围大，但由于导热速度慢，响应时间长，而且调节功耗较大。

综合已报道的方法，利用载流子色散效应的电调节结构速度较快，但调节范围有限，同时会引入吸收损耗，该方法适用于调制器中，而对于需要调节范围较大的器件(如可调延时线等)通常采用金属热电阻的热光调节结构，该方法调节范围较大，但调节功耗大、速度慢。因此，提出一种调节范围较大、功耗较小，并且响应时间较短的热光调节结构十分重要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种硅波导折射率热光调节结构，通过加电使波导升温，利用热光效应调节波导有效折射率，从而实现集成光子器件的可调。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种硅波导折射率热光调节结构，其点征在于，从下至上依次包括衬底、下包层、波导层、上包层和电极层；

所述的波导层呈脊型，脊型中央区为轻掺杂的本征i区，两侧平板区分别为重掺杂区；所述的上包层两侧设有金属通孔，通过该通孔使波导层的重掺杂区与电极层相连。

所述的波导层的厚度小于1μm，下包层的厚度大于1μm，上包层的厚度为1~2μm，电极层厚度大于100nm；波导层的材料为高折射率材料硅，下包层的材料为二氧化硅，上包层的材料为二氧化硅、氮化硅等低折射率材料，电极层的材料为铝、铜、金等高导电性金属材料。