[发明专利]一种基于MEMS硅基中红外波段光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及中红外波段光调制器，特别涉及建立在SOI材料上的一种基于MEMS硅基中红外波段光调制器。

背景技术

21世纪以来，集成光学器件特别是硅基集成光电子器件的发展十分迅速，各种新型的光学器件不断被报道出来。采用硅作为材料的硅基光学器件能够与现有非常成熟的CMOS工艺相结合，生产成本低，性能可靠性高，并且能够与电路系统相结合，形成多功能的光电混合模块和系统，将在通信、传感、军事、生物等众多领域得到广泛地应用，具有非常光明的前景。

中红外波段（2 um ~ 20 um），是太阳光辐射光中一个重要的波段，其在各个科技领域有着十分重要的应用，包括传感、环境监测、生物医学应用、热成像等等。到目前为止，硅基光电子器件的研究大多数处于近红外波段，主要以1550nm为主，硅基中红外波长器件由于多种原因，相关研究则相对较少，研究发展也比较缓慢。然而中红外硅基光电子器件有着诸多优点：远大于近红外波段的等离子色散效应，双光子吸收吸收比近红外波段大大减弱，工艺尺寸更大从而制作简单、成本降低，更多近红外波段的难以制作的结构，如slot波导等都能在中红外波段实现。因此，研究和制作硅基中红外器件是一个非常重要和有意义的课题。

SOI材料在集成电路和近红外集成光电子器件中收到广泛应用，这是由于其优良的CMOS工艺兼容性。在中红外波段，硅在3-8微米也有着低损耗窗口，然而二氧化硅在大于3.6微米之后就有着非常大的吸收损耗。因此，SOI材料的使用和处理方法与近红外波段将有所不同。

如何对中红外波段的光器件进行调制也是一个非常重要的研究内容。热调制是1550nm波段最常使用的方法之一，然而在室温，即300K附近时，热辐射的最大值就在中红外波段。因此对于中红外的光器件，热调制受到限制。

发明内容

如何降低基于SOI的中红外波导器件中二氧化硅的吸收损耗以及对其进行有效地调制是中红外波导研究重要的问题。本发明的目的在于提供一种基于MEMS硅基中红外波段光调制器，解决了二氧化硅带来的高吸收损耗，而且提供了一种可以用MEMS静电力调制的悬浮波导结构；通过在引出的电极上施加电压，使两个波导产生电压差。两个波导悬浮的部分由于静电原因产生吸引或排斥的作用力，从而使波导间距发生改变，实现耦合长度的改变，进而控制整个波导输出端的信号。

本发明采用的技术方案如下：

在SOI材料的顶层硅上分别刻蚀出由弯曲硅波导、电极和条形硅波导组成两组相同的波导结构，两组波导结构分别沿顶层硅中心方向相反且对称布置，每条弯曲硅波导的一端与条形波导连接，每条弯曲硅波导的另一端与电极连接；在二氧化硅衬底上开有一排等距、布置的多个空气槽，两根条形波导位于多个空气槽的上方，相邻凹槽连接处用来支撑两根条形波导。

本发明具有的有益效果是：

1、在一次光刻以及刻蚀好的条形波导器件上进行二次光刻，开出周期性的长条形凹槽对硅层下方的二氧化硅层进行掏空，这样不仅解决了二氧化硅带来的高吸收损耗，而且产生了可控制的悬浮波导结构。

2、通过在引出的电极上施加电压，可以使两个波导产生电压差。两个波导悬浮的部分由于静电原因产生吸引或排斥的作用力，从而使波导间距发生改变，实现耦合长度的改变，进而控制整个波导输出端的信号，采用静电的方法控制器件性能，操作简单，可靠性较高。

3、使用的材料是使用广泛的SOI材料，容易购买，成本低性能高；工艺与CMOS工艺相兼容，结构简单有效，制作比较容易。

附图说明

图1是中红外波段光调制器结构示意图。

图2是中红外波段光调制器耦合区示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是中红外波段光调制器仿真示意图。

图中：1、条形硅波导；2、空气槽；3、弯曲硅波导；4、电极；5、二氧化硅衬底；6、空气；7、底层硅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明在SOI材料(它由底层硅7、二氧化硅衬底5和顶层硅组成)的顶层硅上分别刻蚀出由弯曲硅波导3、电极4和条形硅波导1组成两组相同的波导结构，两组波导结构分别沿顶层硅中心方向相反且对称布置，每条弯曲硅波导3的一端与条形波导1连接，每条弯曲硅波导3的另一端与电极4连接；在二氧化硅衬底5上开有一排等距、布置的多个空气槽2，两根条形硅波导1位于多个空气槽2的上方，相邻凹槽连接处用来支撑两根条形硅波导1。