CN102393550A

CN102393550A - 硅基延时可调光延迟线及其制作方法

Info

Publication number: CN102393550A
Application number: CN2011103649513A
Authority: CN
Inventors: 李运涛; 俞育德; 余金中
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2012-03-28

Abstract

一种硅基延时可调光延迟线，包括：一输入波导及一直通端，该输入波导及直通端之间通过一第一弯曲波导连接；一上载端及一下载端，该上载端及下载端之间通过一第二弯曲波导连接；一光学谐振腔，该光学谐振腔位于输入波导、直通端、上载端和下载端之间，并与输入波导、直通端、上载端和下载端形成耦合；两调谐电极，该两调谐电极分别位于第一弯曲波导与光学谐振腔的耦合处的两侧或该两调谐电极分别位于第二弯曲波导与光学谐振腔的耦合处的两侧。

Description

硅基延时可调光延迟线及其制作方法

技术领域

本发明涉及光器件制备领域，尤其是一种硅基延时可调光延迟线及其制作方法。

背景技术

光延迟线是光互连、光计算及光通信领域重要的元件，在光信号同步与整形、慢光陀螺、相控阵天线中的真延时、量子信息处理与存储、非线性光学器件、高性能和更紧凑的光调制器、光学传感器等方面都有重要的应用。在军事技术领域和航天领域，光延迟线也受到高度重视。硅基光延迟线器件具有体积小、功耗低的优势，是取代目前在光网络及信号处理中广泛应用的电延迟器件的理想选择。

目前国际上主要采用原子蒸汽、光纤、半导体、晶体等多种材料，利用电磁感应透明、受激布里渊区散射、四波混频等物理效应来实现光延迟线器件。相对于其它材料，利用硅基材料制备的光延迟线器件具有以下优势：

1.原子蒸汽或晶体材料难以获得且体积大，而硅基材料不仅获取容易，而且利用半导体材料制作的器件具有结构紧凑、低功耗，便于与其它光子学器件(耦合器、滤波器、探测器、调制器等)集成，制作成光互连及光缓存芯片等优势。

2.原子蒸汽或晶体材料主要是利用材料色散减慢光速，其长相干时间特性使得其可以实现很大的光延迟。然而，其带宽极窄(典型值均为MHz)且不易调谐，这限制了其在系统中所能存储的信息量。在硅基光延迟线器件中，则可以通过仔细设计器件结构来实现大的延迟带宽积，并且利用材料的各种特性对延时进行调谐。

3.原子蒸汽或晶体材料的工作波长由材料本身确定且不可控，在硅基材料中，可以通过设计器件结构或者材料对其进行调控。

由以上分析可见，利用硅基材料制备延时可调光延迟不仅可以实现大的光延迟及高带宽，还可以实现对延时的调控。

在硅基延时可调光延迟线中，目前主要采用通过调节材料折射率来控制光相位的方式实现对延时的调节，由于硅基材料本身的特性，导致调节效率较低。本发明一种硅基延时可调光延迟线及其制作方法，通过调节光学谐振腔与弯曲波导之间的耦合系数来控制弯曲波导与光学谐振腔之间的光学能量交换来实现延时可调，具有调节效率高，延时调节方法简单，大带宽，可集成等多种优势。

发明内容

本发明的目的在于提出一种硅基延时可调光延迟线及其制作方法，具有调节效率高，延时调节方法简单，大带宽，可集成等多种优势。

本发明提供一种硅基延时可调光延迟线，包括：

一输入波导及一直通端，该输入波导及直通端之间通过一第一弯曲波导连接；

一上载端及一下载端，该上载端及下载端之间通过一第二弯曲波导连接；

一光学谐振腔，该光学谐振腔位于输入波导、直通端、上载端和下载端之间，并与输入波导、直通端、上载端和下载端形成耦合；

两调谐电极，该两调谐电极分别位于第一弯曲波导与光学谐振腔的耦合处的两侧或该两调谐电极分别位于第二弯曲波导与光学谐振腔的耦合处的两侧。

其中所述的输入波导是矩形波导、脊型波导或是圆型波导。

其中所述的光学谐振腔是基于矩形波导、脊型波导或是圆型波导的光学谐振腔。

其中所述的光学谐振腔是微环谐振腔、微盘谐振腔、多边形谐振腔或光子晶体谐振腔或是以上谐振腔的组合。

其中所述的调谐电极是热调谐电极、电调谐电极或是磁调谐电极。

本发明还提供一种硅基延时可调光延迟线的制作方法，包括下列步骤：

步骤1：取一基片，该基片为硅基器件基片；

步骤2：清洗基片，在基片表面涂光刻胶，在光刻胶上光刻出器件图形；

步骤3：对器件图形进行刻蚀，形成器件；

步骤4：在刻蚀后形成器件的表面沉积隔离层；

步骤5：在隔离层的表面制备调谐电极，完成硅基延时可调光延迟线的制作。

其中步骤2中的光刻器件图形是采用电子束光刻、深紫外光刻、X光光刻、纳米压印或聚焦离子束直写的方法，或是以上方法的组合。

其中步骤3中的刻蚀方法是干法刻蚀或湿法刻蚀，或是以上方法的组合。

其中步骤4中沉积隔离层是采用化学汽相淀积淀积、液相外延、磁控溅射或是分子束外延的方法，或是以上方法的组合。

其中步骤4中的隔离层材料是二氧化硅、氮化硅或是光刻胶。

本发明一种硅基延时可调光延迟线及其制作方法，在硅基平台上充分发挥微电子工艺技术成熟、可以批量生产，制造成本低，工作稳定等优点，在硅基平台上，采用半导体加工工艺，制备硅基延时可调光延迟线，具有调节效率高，延时调节方法简单，大带宽，可集成等多种优势。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明硅基延时可调光延迟线实施例结构图。

图2是本发明硅基延时可调光延迟线实施例延时波长关系图。

图3是本发明硅基延时可调光延迟线制备方法流程图。

具体实施方式

从图1可见，本发明硅基延时可调光延迟线，包括：一输入波导1及一直通端3，该输入波导1及直通端3之间通过一第一弯曲波导6连接；一上载端2及一下载端4，该上载端2及下载端4之间通过一第二弯曲波导7连接；一光学谐振腔5，该光学谐振腔5位于输入波导1、直通端3、上载端2和下载端4之间，并与输入波导1、直通端3、上载端2和下载端4形成耦合；两调谐电极8，该两调谐电极8分别位于第一弯曲波导6与光学谐振腔5的耦合处的两侧或该两调谐电极8分别位于第二弯曲波导7与光学谐振腔5的耦合处的两侧。其中输入波导1是矩形波导、脊型波导或是圆型波导，光学谐振腔5是基于矩形波导、脊型波导或是圆型波导的光学谐振腔，光学谐振腔5是微环谐振腔、微盘谐振腔、多边形谐振腔或光子晶体谐振腔或是以上谐振腔的组合，调谐电极8是热调谐电极、电调谐电极或是磁调谐电极。下面以基于绝缘体上的硅材料，光学谐振腔5为微环谐振腔，光学谐振腔5及输入波导1均为矩形波导结构的硅基延时可调光延迟线为一实施例，对本发明的工作原理做一详细说明。

器件的耦合区域类似于非对称MZI干涉仪的结构。利用这种结构我们能够在较大幅度内控制波导与微环谐振腔之间的耦合系数的大小。与MZI干涉仪的原理相似，若改变微环谐振腔5与弯曲波导6和弯曲波导7之间的相位差，耦合效率也会随之变化。假设在波导-微环谐振腔耦合处的功率耦合为k₀，弯曲波导6和弯曲波导7的传输系数与产生的相位变化分别为t_b、t_r与φ_b、φ_r。那么弯曲波导6和弯曲波导7与微环谐振腔之间的实际耦合效率可以写为：

所以若相位相位差

在0-π之间变化，k的变化范围则为0到-4k₀(1-k₀)。可以看出，弯曲波导6与微环谐振腔的耦合系数k与弯曲波导7与微环谐振腔的耦合系数k’直接影响着微环谐振腔内的光子寿命，所以我们能够通过调节弯曲波导6和弯曲波导7与微环谐振腔5之间的耦合效率的方式对光信号的延迟进行调控。另外，只要耦合效率符合微环谐振腔5的临界耦合条件，几乎所有的光都会进入到微环谐振腔5之中，消光比变化很小，因此可以大幅减小延迟过程对信号强度的影响。在满足临界耦合条件的情况下调节弯曲波导6与微环谐振腔的耦合系数k与弯曲波导7与微环谐振腔的耦合系数k’的大小，可以控制微环谐振腔的Q值，达到调控延时的目的。

图2是本发明硅基延时可调光延迟线实施例延迟波长关系图。横坐标为波长，纵坐标为光延迟。可以看出当耦合系数发生变化时，延迟时间也会产生很大的变化。证明了本发明可以对延迟时间的可调性上的可行性。

图3是本发明硅基延时可调光延迟线制备方法流程图。主要包括五个步骤，步骤1：取一基片，该基片为硅基器件基片；步骤2：清洗基片，在基片表面涂光刻胶，在光刻胶上光刻出器件图形；光刻器件图形是采用电子束光刻、深紫外光刻、X光光刻、纳米压印或聚焦离子束直写的方法，或是以上方法的组合。步骤3：对器件图形进行刻蚀，形成器件；刻蚀方法是干法刻蚀或湿法刻蚀，或是以上方法的组合。步骤4：在刻蚀后形成器件的表面沉积隔离层；沉积隔离层是采用化学汽相淀积淀积、液相外延、磁控溅射或是分子束外延的方法，或是以上方法的组合，隔离层材料是二氧化硅、氮化硅或是光刻胶。步骤5：在隔离层的表面制备调谐电极，完成硅基延时可调光延迟线的制作。器件的制备均采用标准半导体加工工艺，简单，成本低廉，效率高，尤其适合于集成电路工艺批量生产。

综上所述，本发明一种硅基延时可调光延迟线及其制作方法至少具有以下优点：

1.本发明硅基延时可调光延迟线及其制作方法，通过调节波导与光学谐振腔的耦合系数来实现光延迟线的可调节，调节效率高，可同时实现器件的大延迟和高带宽。

2.本发明硅基延时可调光延迟线及其制作方法所采用器件的工艺均简单且易于实现，成本低廉，合格率高。

3.本发明硅基延时可调光延迟线及其制作方法，材料与制备工艺均可与其他硅基光电子器件兼容，利于实现可集成的片上光学系统。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims

1.一种硅基延时可调光延迟线，包括：

2.根据权利要求1所述的硅基延时可调光延迟线，其中所述的输入波导是矩形波导、脊型波导或是圆型波导。

3.根据权利要求1所述的硅基延时可调光延迟线，其中所述的光学谐振腔是基于矩形波导、脊型波导或是圆型波导的光学谐振腔。

4.根据权利要求1所述的硅基延时可调光延迟线，其中所述的光学谐振腔是微环谐振腔、微盘谐振腔、多边形谐振腔或光子晶体谐振腔或是以上谐振腔的组合。

5.根据权利要求1所述的硅基热光延时可调光延迟线，其中所述的调谐电极是热调谐电极、电调谐电极或是磁调谐电极。

6.一种如权利要求1所述的硅基延时可调光延迟线的制作方法，包括下列步骤：

步骤1：取一基片，该基片为硅基器件基片；

步骤3：对器件图形进行刻蚀，形成器件；

步骤4：在刻蚀后形成器件的表面沉积隔离层；

7.根据权利要求6所述的硅基延时可调光延迟线的制作方法，其中步骤2中的光刻器件图形是采用电子束光刻、深紫外光刻、X光光刻、纳米压印或聚焦离子束直写的方法，或是以上方法的组合。

8.根据权利要求6所述的硅基延时可调光延迟线的制作方法，其中步骤3中的刻蚀方法是干法刻蚀或湿法刻蚀，或是以上方法的组合。

9.根据权利要求6所述的硅基延时可调光延迟线的制作方法，其中步骤4中沉积隔离层是采用化学汽相淀积淀积、液相外延、磁控溅射或是分子束外延的方法，或是以上方法的组合。

10.根据权利要求9所述的硅基延时可调光延迟线的制作方法，其中步骤4中的隔离层材料是二氧化硅、氮化硅或是光刻胶。