CN101639576A - 硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器 - Google Patents

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孙阳
陈少武
徐学俊
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Abstract

本发明公开了一种硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，该电光调制器由制作在绝缘体上硅SOI衬底上的两个法布里－珀罗谐振腔(4)串联而成，该两个法布里－珀罗谐振腔(4)采用游标式级联的形式串联形成级联谐振腔结构的低功耗电光调制器。所述法布里－珀罗谐振腔(4)由两个布拉格光栅(3)与位于该两个布拉格光栅之间的脊形波导(1)构成，布拉格光栅(3)作为该法布里－珀罗谐振腔(4)的反射镜。本发明大幅提高了谐振腔的F值、FSR、Q值等参数，使得电光调制器的消光比大大增加，调制所需功耗更小，速度更快，而且器件结构紧凑，制作工艺与成熟的微电子CMOS工艺兼容。

Description

硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器
技术领域
本发明涉及硅基光电子学领域，特别是一种可提高消光比和响应速率的硅基级联谐振腔结构低功耗电光调制器。
背景技术
随着微电子器件的尺寸不断缩小，传统的微电子器件的性能逐渐地接近物理极限，光互连是解决电互连瓶颈的最有希望的方式，光电集成和光子集成回路是实现实用化光互连的必不可少的途径，光调制器是光电集成和光子集成回路的重要器件之一。出于成本和技术的考虑，硅基材料最有可能成为实现商用化光电集成平台。
采用硅基材料制作的电光调制器有利于与成熟的CMOS工艺兼容，实现大规模的光子集成与光电子集成，因而受到了广泛关注。目前，已经有多种电学调制结构与光学结构各异的硅基电光调制器被成功研制出来，各项技术指标逐步提高，但综合性能比成熟的铌酸锂电光调制器还有一定差距，远不能满足未来光通信的发展要求。因此，迫切地需要设计更为新颖的结构，提高硅基电光调制器的综合性能。
硅基电光调制器的光学结构包括马赫曾德型、微环谐振腔型，F-P腔型、光子晶体型等等。谐振腔结构对谐振波长有选择性，耦合出谐振腔的光强对折射率的变化十分敏感，且具有尺寸小、能耗低、响应快、调制深度高的优点。F-P腔是最常用也最简单的谐振腔之一，这种结构能够把光波限制在很小的范围内，在腔中的光模体积可以非常小，利用这个特性可以实现结构简单、紧凑且所需驱动功率很低的电光调制器。目前，已有基于单个F-P谐振腔的电光调制器，但是由于F-P谐振腔对光波只有一维限制，因此F-P谐振腔的Q值没有微环、微盘谐振腔高，所以消光比、速度等性能不是很高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可提高消光比和响应速率的硅基级联谐振腔结构低功耗电光调制器，以提高调制器的消光比，使得功耗降低，从而实现高效高速的电光调制。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，该电光调制器由制作在绝缘体上硅(SOI)衬底上的两个法布里-珀罗谐振腔4串联而成，该两个法布里-珀罗谐振腔4采用游标式级联的形式串联形成级联谐振腔结构的低功耗电光调制器。
上述方案中，所述法布里-珀罗谐振腔4由两个布拉格光栅3与位于该两个布拉格光栅之间的脊形波导1构成，布拉格光栅3作为该法布里-珀罗谐振腔4的反射镜。
上述方案中，所述布拉格光栅3与位于该两个布拉格光栅之间的脊形波导1采用刻蚀方式形成于SOI衬底上，具体形成过程包括：
在SOI衬底上刻蚀形成三个平行排列的布拉格光栅3，刻蚀深度为1微米，即将SOI衬底的顶层硅刻透，第一个布拉格光栅与第二个布拉格光栅之间的间隔L1＝337微米，第二个布拉格光栅与第三个布拉格光栅之间的间隔L2＝375微米，每个布拉格光栅包括三个光栅指，每个光栅指的厚度Lsi＝150纳米，两个光栅指之间的间隔Lair＝150纳米；
沿与布拉格光栅垂直的方向在SOI衬底的中间部分形成一定宽度的脊形波导台面。
上述方案中，对于每个光栅指的厚度Lsi与两个光栅指之间的间隔Lair，满足布拉格光栅的中心波长为光通讯波长，两个法布里-珀罗谐振腔腔长都与光通信波长满足布拉格反射条件，并且设计成游标式级联的形式。
上述方案中，该电光调制器进一步包括：在构成该法布里-珀罗谐振腔的两个布拉格光栅与位于该两个布拉格光栅之间脊形波导的两侧SOI衬底平板区2，采用离子注入方式形成的重掺杂P区5和重掺杂N区6，电光调制时折射率变化区域处于硅波导层中重掺杂P区5和重掺杂N区6之间的范围内。
上述方案中，该电光调制器进一步包括：在重掺杂P区5和重掺杂N区6上制作的正电极和负电极。
上述方案中，在所述正电极和负电极上施加电压信号，波导有源区内载流子浓度发生变化，根据等离子体色散效应，此区域的波导折射率相应改变，谐振腔的谐振频率发生变化，使得光信号在调制前处于或偏离谐振频率，调制后偏离或处于谐振频率，以实现对光信号调制。
上述方案中，每个法布里-珀罗谐振腔4都有若干谐振频率，谐振频率与谐振腔腔长满足布拉格条件。
上述方案中，两个法布里-珀罗谐振腔4腔长相同或不同，在腔长相同时，级联谐振腔的谐振频率和自由频谱范围，与单个谐振腔的谐振频率和自由频谱范围一致，但是谐振峰更尖锐，信号光频率远离谐振频率时透过率更低。
上述方案中，可只对单个法布里-珀罗谐振腔4进行直流或交流电压调制，也可对两个法布里-珀罗谐振腔4分别进行直流或交流电压调制。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：相比于单个谐振腔，级联谐振腔大幅提高了谐振腔的F值、FSR、Q值等参数，使得电光调制器的消光比大大增加，调制所需功耗更小，速度更快，而且器件结构紧凑，制作工艺与成熟的微电子CMOS工艺兼容。
附图说明
图1是本发明提供的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器的三维效果图；
图2是本发明提供的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器的前视图；
图3是本发明提供的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器的顶视图；
图4是本发明提供的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器的纵剖面；
图5是游标尺效应示意图；
图6是单腔与级联腔传输谱比较图；
图中，1为脊形波导，2为平板区，3为布拉格光栅，4为法布里-珀罗谐振腔，5为重掺杂P区，6为重掺杂N区。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种电光调制器由制作在SOI衬底上的两个法布里-珀罗(F-P)谐振腔4串联而成，该两个法布里-珀罗谐振腔4采用游标式级联的形式串联形成级联谐振腔结构的低功耗电光调制器。所述法布里-珀罗谐振腔4由两个布拉格光栅3与位于该两个布拉格光栅之间的脊形波导1构成，布拉格光栅3作为该法布里-珀罗谐振腔4的反射镜。在构成该法布里-珀罗谐振腔的两个布拉格光栅与位于该两个布拉格光栅之间脊形波导的两侧SOI衬底平板区2，采用离子注入形成的重掺杂P区5和重掺杂N区6，电光调制时折射率变化区域处于硅波导层中重掺杂P区5和重掺杂N区6之间的范围内。以及，在重掺杂P区5和重掺杂N区6上制作的正电极和负电极。
刻蚀形成的布拉格光栅作为F-P谐振腔的反射镜，两个布拉格光栅反射镜与它们之间的波导即组成了一个F-P谐振腔。一个F-P谐振腔有若干谐振频率，谐振频率与谐振腔腔长满足布拉格条件，两个谐振腔串联成游标式级联的形式。
当施加电压信号时，波导有源区内载流子浓度发生变化，根据等离子体色散效应，此区域的波导折射率相应改变，谐振腔的谐振频率发生变化，使得光信号在调制前处于或偏离谐振频率，而调制后偏离或处于谐振频率。满足谐振频率的光透过率很高，不满足谐振条件波长的光透过率很低，电压信号驱使光信号在满足谐振与非谐振之间切换，从而实现对光信号调制。两种输出状态下光信号的透过率差即为器件的消光比。
在所述正电极和负电极上施加电压信号，波导有源区内载流子浓度发生变化，根据等离子体色散效应，此区域的波导折射率相应改变，谐振腔的谐振频率发生变化，使得光信号在调制前处于或偏离谐振频率，调制后偏离或处于谐振频率，以实现对光信号调制。
每个法布里-珀罗谐振腔4都有若干谐振频率，谐振频率与谐振腔腔长满足布拉格条件。两个法布里-珀罗谐振腔4腔长相同或不同，在腔长相同时，级联谐振腔的谐振频率和自由频谱范围与单个谐振腔的谐振频率和自由频谱范围一致，但是谐振峰更尖锐，信号光频率远离谐振频率时透过率更低。
本发明的级联谐振腔调制器，其调谐特性与游标卡尺的原理近似。两个谐振腔腔的自由频谱(FSR)分别为FSR1和FSR2，关系为mFSR1＝(m+1)FSR2，式中m为游标因子，级联谐振腔的谐振频率发生在两个谐振腔相同的谐振频率处，因此，级联谐振腔的FSR＝mFSR1＝(m+1)FSR2。在近似认为两个谐振腔品质因子(Q值)近似相等的情况下推导可得级联腔的Q值为单个腔的1.6倍，精细度(F值)为单个腔的1.6m倍。因此，采用级联谐振腔可以大幅地提高谐振腔的F值和Q值。而且，级联谐振腔的非谐振波长透过率比单个腔的大为降低。
如图1所示，硅基级联谐振腔结构电光调制器使用顶层硅厚度为1微米的SOI材料作为衬底，首先在SOI衬底上刻蚀出布拉格光栅(3)，刻蚀深度为1微米，即将顶层硅刻透。参见图4所示，布拉格光栅(3)周期为：Lsi＝Lair＝150纳米，满足布拉格光栅(3)的中心波长为光通讯波长，级联的F-P谐振腔(4)腔长分别为：L1＝337微米，L2＝375微米，两个F-P谐振腔(4)腔长都与光通信波长满足布拉格反射条件，并且设计成游标式级联的形式。游标级联如图5所示，只有同时满足两个谐振腔的谐振频率，才是级联谐振腔的谐振频率，在此实施例中级联谐振腔FSR＝9FSR1＝10FSR2。然后二次刻蚀形成脊形台面，脊行台面请参阅图2所示，二氧化硅包层和硅波导层的大折射率差以及脊形波导结构将光场限制在硅波导层的脊区(1)范围，在脊区(1)两侧的平板区(2)离子注入，制作形成重掺杂P区(5)和重掺杂N区(6)，如图3阴影区域所示。最后在重掺杂P区(5)和重掺杂N区(6)上引出电极。电光调制时折射率变化区域处于硅波导层中重掺杂P区(5)和重掺杂N区(6)之间的范围内。
未加载电压时，信号光处于级联谐振腔的谐振频率，在波导中传输的透过率很高；加载电压时，根据等离子体色散效应，波导有源区中自由载流子浓度的增加导致有源区的有效折射率减小，从而使信号光偏离谐振，因而透过率大大降低。
对单个F-P谐振腔(4)和级联谐振腔的数值模拟结果如图6所示，通过比较发现，级联谐振腔远离谐振的光信号衰减了近50dB，而单个F-P谐振腔(4)时只有25dB，同时级联腔的谐振峰更尖锐，半峰值全宽(功率下降到峰值功率一半时的谱线宽，图6中-3dB处)更窄。计算得出此级联谐振腔的F值约为单个F-P谐振腔(4)时的15倍。所以采用级联谐振腔调制器的消光比可以达到单个F-P谐振腔(4)的两倍，同时减小了调制功耗，调制器的工作速率也相应提高。
本发明可只对单个法布里-珀罗谐振腔4进行直流或交流电压调制，也可对两个法布里-珀罗谐振腔4分别进行直流或交流电压调制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，该电光调制器由制作在绝缘体上硅SOI衬底上的两个法布里-珀罗谐振腔(4)串联而成，该两个法布里-珀罗谐振腔(4)采用游标式级联的形式串联形成级联谐振腔结构的低功耗电光调制器。
2、根据权利要求1所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔(4)由两个布拉格光栅(3)与位于该两个布拉格光栅之间的脊形波导(1)构成，布拉格光栅(3)作为该法布里-珀罗谐振腔(4)的反射镜。
3、根据权利要求2所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，所述布拉格光栅(3)与位于该两个布拉格光栅之间的脊形波导(1)采用刻蚀方式形成于SOI衬底上，具体形成过程包括：
在SOI衬底上刻蚀形成三个平行排列的布拉格光栅(3)，刻蚀深度为1微米，即将SOI衬底的顶层硅刻透，第一个布拉格光栅与第二个布拉格光栅之间的间隔L1＝337微米，第二个布拉格光栅与第三个布拉格光栅之间的间隔L2＝375微米，每个布拉格光栅包括三个光栅指，每个光栅指的厚度Lsi＝150纳米，两个光栅指之间的间隔Lair＝150纳米；
沿与布拉格光栅垂直的方向在SOI衬底的中间部分形成一定宽度的脊形波导台面。
4、根据权利要求3所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，对于每个光栅指的厚度Lsi与两个光栅指之间的间隔Lair，满足布拉格光栅的中心波长为光通讯波长，两个法布里-珀罗谐振腔腔长都与光通信波长满足布拉格反射条件，并且设计成游标式级联的形式。
5、根据权利要求2所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，该电光调制器进一步包括：在构成该法布里-珀罗谐振腔的两个布拉格光栅与位于该两个布拉格光栅之间脊形波导的两侧SOI衬底平板区(2)，采用离子注入方式形成的重掺杂P区(5)和重掺杂N区(6)，电光调制时折射率变化区域处于硅波导层中重掺杂P区(5)和重掺杂N区(6)之间的范围内。
6、根据权利要求5所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，该电光调制器进一步包括：在重掺杂P区(5)和重掺杂N区(6)上制作的正电极和负电极。
7、根据权利要求6所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，在所述正电极和负电极上施加电压信号，波导有源区内载流子浓度发生变化，根据等离子体色散效应，此区域的波导折射率相应改变，谐振腔的谐振频率发生变化，使得光信号在调制前处于或偏离谐振频率，调制后偏离或处于谐振频率，以实现对光信号调制。
8、根据权利要求2所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，每个法布里-珀罗谐振腔(4)都有若干谐振频率，谐振频率与谐振腔腔长满足布拉格条件。
9、根据权利要求2所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，两个法布里-珀罗谐振腔(4)腔长相同或不同，在腔长相同时，级联谐振腔的谐振频率和自由频谱范围，与单个谐振腔的谐振频率和自由频谱范围一致，但是谐振峰更尖锐，信号光频率远离谐振频率时透过率更低。
10、根据权利要求2所述的硅基级联谐振腔结构的低功耗电光调制器，其特征在于，可只对单个法布里-珀罗谐振腔(4)进行直流或交流电压调制，也可对两个法布里-珀罗谐振腔(4)分别进行直流或交流电压调制。
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