一種硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光學(xué)，特別是一種硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年光電芯片集成度越來越高，器件尺寸也越來越小。硅材料相比較其它材料，由于其與空氣和二氧化硅之間的高折射率差，具有很強的光場限制能力，可以制作亞微米級光波導(dǎo)器件。硅光子器件與成熟的CMOS工藝兼容，具有低制備成本、易大規(guī)模集成的特點，是未來光器件發(fā)展的重要趨勢。而基于硅材料的無源及有源光器件被廣泛研究并加以實現(xiàn)，如濾波器、分路器、調(diào)制器等。
[0003]硅材料主要利用等離子色散效應(yīng)和熱光效應(yīng)來實現(xiàn)波導(dǎo)層折射率調(diào)節(jié)。QianfanXu等人提出p_i_n電調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，利用了載流子色散效應(yīng)，通過正向偏壓注入載流子來實現(xiàn)波導(dǎo)層折射率變化，在OPTICS EXPRESS (Vol.12, N0.2)中“12.5Gbit/scarrier-1nject1n-based silicon micro-ring silicon modulators，，進行了詳細介紹。Ansheng Liu等人提出p-η電調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，利用載流子色散效應(yīng)，通過反向偏壓抽取載流子來改變波導(dǎo)層折射率，在 OPTICS EXPRESS (Vol.15, N0.2)中 “High-speed opticalmodulat1n based on carrier deplet1n on silicon waveguide”進行了詳細介紹。JaimeCardensa等人在波導(dǎo)上方制作金屬熱電阻，利用熱光效應(yīng)，通過加電發(fā)熱傳導(dǎo)熱量來改變波導(dǎo)溫度，進而調(diào)節(jié)硅波導(dǎo)折射率，在OPTICS EXPRESS (Vol.18, N0.25)中“High-speedoptical modulat1n based on carrier dept1n on silicon waveguide，，進行了詳細介紹。近期陸梁軍等人在 Optical Fiber Communicat1n Conference 上發(fā)表的“Enhancednonlinear thermo-optic effect in silicon microring resonators with p-1-pmicroheaters for non-reciprocal transmiss1n”上提出波導(dǎo)熱電阻加熱娃基微環(huán)結(jié)構(gòu)，利用波導(dǎo)層自身作為電阻，外部通電后，熱量直接作用于波導(dǎo)層，通過熱光效應(yīng)調(diào)節(jié)波導(dǎo)折射率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在上述波導(dǎo)熱電阻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加金屬控制柵極，對波導(dǎo)熱電阻施加固定的驅(qū)動電壓，對金屬柵極施加控制電壓。通過改變控制電壓，實現(xiàn)對硅波導(dǎo)折射率的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)對通過本結(jié)構(gòu)輸出光的調(diào)節(jié)。采用這種熱調(diào)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于驅(qū)動電壓和控制電壓分離，驅(qū)動電極提供電阻發(fā)熱功率，而控制電極上無靜態(tài)功耗，易于和控制電路集成。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0006]—種硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特電在于，從下至上依次包括襯底、下包層、波導(dǎo)層、上包層和電極層，所述的下包層的材料為二氧化硅，波導(dǎo)層的材料為高折射率材料硅，上包層的材料為低折射率材料，所述的電極層由分立于兩側(cè)的金屬電極和中間的金屬柵極構(gòu)成，所述的波導(dǎo)層為脊型波導(dǎo)，由中間的凸形內(nèi)脊的輕摻雜區(qū)和兩側(cè)平板形外脊的重摻雜區(qū)構(gòu)成波導(dǎo)熱電阻結(jié)構(gòu)，所述的重摻雜區(qū)通過所述的上包層的金屬通孔與所述的金屬電極相通。
[0007]所述的脊型波導(dǎo)的凸形內(nèi)脊的輕摻雜區(qū)的寬度、高度和外脊的重摻雜區(qū)的高度滿足光單模傳輸條件，所述的凸形內(nèi)脊的輕摻雜區(qū)的摻雜濃度小于1017cm 3，所述的外脊的重摻雜區(qū)的摻雜濃度大于10lscm 3，摻雜類型為p型或η型，形成ρ+-ρ -ρ+或η +_η _η+電阻結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的電極層的材料為鋁、銅或金。
[0009]上述硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的使用方法，在所述的兩金屬電極之間施加固定的驅(qū)動電壓，在所述的金屬柵極施加控制電壓，通過改變該控制電壓，實現(xiàn)對硅波導(dǎo)折射率的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)對通過本發(fā)明結(jié)構(gòu)輸出光的調(diào)節(jié)。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]對波導(dǎo)熱電阻加載一定的驅(qū)動電壓，對金屬柵極加載控制電壓，用于在波導(dǎo)層上產(chǎn)生電場。通過改變控制電壓，使作用在波導(dǎo)層的電場發(fā)生改變，調(diào)節(jié)波導(dǎo)熱電阻的電阻率，從而改變電阻加熱功率，實現(xiàn)對硅波導(dǎo)折射率的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)對通過本發(fā)明結(jié)構(gòu)輸出光的調(diào)節(jié)。
[0012]本發(fā)明熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可以將大功率驅(qū)動電極和小信號控制電極分離，使熱光調(diào)控更容易通過集成電路實現(xiàn)，在集成光學(xué)中擁有廣泛前景。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明應(yīng)用于硅基微環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0015]圖3為不同控制電壓下，硅波導(dǎo)電阻上電流與驅(qū)動電壓關(guān)系圖。
[0016]圖4為在15V驅(qū)動電壓下，硅波導(dǎo)電阻值及加熱功率與控制電壓關(guān)系圖。
[0017]圖5為在15V驅(qū)動電壓下，硅基微環(huán)諧振器的諧振波長偏移量與控制電壓的關(guān)系圖。
[0018]圖6為集成了波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器實驗測試裝置示意圖。
[0019]圖7為在15V驅(qū)動電壓下，微環(huán)波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)上加載5V ΙΟΚΗζ的方波交流控制電壓時，輸出光信號的時間響應(yīng)圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應(yīng)當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]圖1為本發(fā)明硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖，如圖1所示，本發(fā)明硅波導(dǎo)熱光調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，，從下至上依次包括襯底1、下包層2、波導(dǎo)層3、上包層4和電極層5，所述的下包層2的材料為二氧化硅，波導(dǎo)層3的材料為高折射率材料硅，上包層4的材料為低折射率材料，所述的電極層5由分立于兩側(cè)的金屬電極7和中間的金屬柵極6構(gòu)成，所述的波導(dǎo)層3為脊型波導(dǎo)，由中間的凸形內(nèi)脊的輕摻雜區(qū)9和兩側(cè)平板形外脊的重摻雜區(qū)8構(gòu)成波導(dǎo)熱電阻結(jié)構(gòu)，所述的重摻雜區(qū)8通過所述的上包層4的金屬通孔10與所述的金屬電極7