CN102495449B

CN102495449B - 可调谐载流子诱导波导光栅

Info

Publication number: CN102495449B
Application number: CN 201110404472
Authority: CN
Inventors: 方青; 段靖远; 张运方; 孔庆善; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN102495449A

Abstract

一种可调谐载流子诱导波导光栅，包括：一光传输波导；周期型分布的P掺杂区，形成在光传输波导芯层内的一侧；周期型分布的N掺杂区，远离P掺杂区，形成在光传输波导芯层上的另一侧，该P掺杂区和N掺杂区的中间形成一间隙；所述载流子诱导波导光栅是在偏压下以抽空载流子的方式，实现波导导波的功能；在偏压下注入载流子或不注入载流子均能实现导波光栅的滤波功能，诱导波导光栅是沿光传输方向周期排列。

Description

可调谐载流子诱导波导光栅

技术领域

本发明属于半导体技术，特别是指一种可调谐载流子诱导波导光栅。

背景技术

布拉格光栅在较窄波长范围内具有选择性反射或衍射的优异特性，能够在光通信、光传感、集成光学方面有着多种用途，如滤波器、谐振器、耦合器、传感器等。波导布拉格光栅能够使波导中传输满足λ_B＝N_effΛ波长的光反射向光入射相反方向，其中λ_B是反射中心波长，N_eff是布拉格波导光栅的有效折射率，Λ是布拉格波导光栅周期。现有的布拉格波导光栅是通过刻蚀、UV光照射等方法在波导芯层或芯层周围光场覆盖区域形成永久性布拉格波导光栅，如专利US5940568、US7639911B2、US6603559B2、US7440653B2d等。这些永久性光栅的反射波长与光栅周期、有效折射率有关，不随光栅长度变化。一旦这种永久性布拉格波导光栅形成，在工作过程中，该光栅将永久性存在，这就使得在使用中总有对应的波长被反射。只能够通过热光、电光等效应改变有效折射率或光栅周期，从而改变反射波长，使反射峰沿波长轴线平移。图2(a)是现有的一种刻蚀布拉格波导光栅1结构图。在波导芯层上表面浅刻蚀沟槽3，在波导上表面形成永久性布拉格波导光栅2。该光栅沿波导中光传输方向成均匀周期性分布，光栅周期为Λ，这种刻蚀光栅在使用中光栅结构不会产生大的变化。图2(b)是图2(a)光栅在热光效应下的透射谱线图，从图中可以看出在不同的电压下，透射谱强度变化较小，谱线不会消失，只沿着波长漂移。图3(a)是现有的另一种刻蚀布拉格波导光栅4，通过刻蚀在波导芯层两侧形成刻蚀光栅5，光栅同样沿着波导中光传输方向成均匀周期性分布，光栅周期为Λ。该侧面刻蚀布拉格波导光栅中的刻蚀沟槽6在使用中也不会产生大的变化，光栅结构将永久存在。当在不同环境温度下，由于其有效折射率发生改变，其光栅周期也有微弱变动，致使反射波长有所变化，而反射峰都将存在，如图3(b)所示。这种永久性布拉格波导光栅由于永久性反射某一波长，在波分复用等系统中会浪费大量信道，而降低数据传输能力。另外，永久性布拉格波导光栅通常因折射率变化较大，使得反射带宽较宽，将进一步降低有效信道数目、降低传输能力。同时这种布拉格波导光栅也会在其它应用方面存在制约，如用于光开关，当需要使λ₁由关的状态转为开的状态(即：使λ₁由滤波状态变为导波状态)，因该光栅只能通过热光、电光等效应使反射峰沿波长平移，总会同时使某一波长λ_n处于关的状态，这种特性限制了永久性布拉格波导光栅在多通道光开关里的应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可调谐载流子诱导波导光栅，其可以用来制作光滤波器、光波长选择器、波分复用器、光开关、光调制器、光衰减器、上下路波分复用器等，在光电子波导器件与集成、光传感、光纤通信等领域有着广泛的应用。

本发明是一种一种可调谐载流子诱导波导光栅，包括：

一光传输波导；

周期型分布的P掺杂区，形成在光传输波导芯层内的一侧；

周期型分布的N掺杂区，远离P掺杂区，形成在光传输波导芯层上的另一侧，该P掺杂区和N掺杂区的中间形成一间隙；

所述载流子诱导波导光栅是在偏压下以抽空载流子的方式，实现波导导波的功能；在偏压下注入载流子或不注入载流子均能实现导波光栅的滤波功能，诱导波导光栅是沿光传输方向周期排列。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明阐述的一种可调谐载流子诱导波导光栅结构图；

图2(a)是现有的表面刻蚀布拉格波导光栅结构图；

图2(b)是现有的表面刻蚀布拉格波导光栅结构的热光调制透射光谱；

图3(a)是现有的侧面刻蚀布拉格波导光栅结构图；

图3(b)是现有的侧面刻蚀布拉格波导光栅结构的热光调制反射光谱；

图4(a)是本发明中一种PIN型载流子诱导波导光栅结构示意图；

图4(b)是图4(a)中PIN型载流子诱导波导光栅结构横截面示意图；

图5(a)是本发明中一种PN型载流子诱导波导光栅结构示意图；

图5(b)是图5(a)中PN型载流子诱导波导光栅结构横截面示意图；

图6是载流子诱导布拉格波导光栅在有、无载流子时反射光谱。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种可调谐载流子诱导波导光栅15，包括：

一光传输波导10，光信号在该光传输波导10中传输，该传输波导10包括波导芯层22与包层16，该光传输波导芯层结构22为脊形波导或条形波导，包层结构由下包层18和上包层17组成；周期型分布的P掺杂区13，形成在光传输波导芯层22内的一侧；周期型分布的N掺杂区14，远离P掺杂区13，形成在光传输波导芯层22上的另一侧，该P掺杂区13和N掺杂区14的中间形成一间隙。当作为脊形波导时，其波导芯层22包括其两侧的平板区11和中间的脊型区12，波导脊型区宽度为W。载流子诱导布拉格波导光栅15由光传输波导芯层22、周期型分布的P掺杂区13、周期型分布的N掺杂区14，以及包层16组成。在周期型分布的P掺杂区13，通过离子注入等方式注入B或BF2等离子，在光传输波导芯层22内的一侧形成周期分布的P型掺杂，沿光轴方向周期分布的P型掺杂区内的载流子造成该掺杂区域内折射率的改变；在周期型分布的N掺杂区14，该区域远离P掺杂区13，通过离子注入等方式注入P或As等离子，在光传输波导芯层22上的另一侧形成周期分布的N型掺杂，沿光轴方向周期分布的N型掺杂区内的载流子同样造成该掺杂区域内折射率的改变。P掺杂区13沿脊型区12中某轴线与N掺杂区14对称。沿光轴传输方向掺杂区域13、14中的折射率周期性变化形成载流子诱导波导光栅15。此诱导波导光栅15是沿光传输方向周期排列。该波导光栅15在无偏压时或有偏压注入载流子时，能够对某段波长光信号进行滤波，实现波导光栅的滤波功能；当施加与注入载流子相反的偏压时，能够使掺杂区域内的载流子被抽出，由于此时掺杂区域13、14内无多余的载流子，在波导光栅15区域不再有折射率的周期分布，因此该结构仅以光传输波导的形式存在，实现波导导波的功能，不再有滤波的功能。在波导光栅15中，P掺杂区13和N掺杂区14的中间形成一间隙19，该间隙19的宽度G。间隙19的宽度G可以变化，当其宽度G＝0，即P掺杂区13和N掺杂区14相连接；当其宽度G＞0，此时P掺杂区13和N掺杂区14不直接相连，中间有一间隙。间隙19沿光传输方向的分布形状有多种多样，可以为形状线性分布、正余弦函数周期性分布、阶梯型周期性分布或锯齿状周期性分布等；P掺杂区13和N掺杂区14沿沿光传输方向的分布形状也有多种多样。

图4(a)是图1的一种结构俯视图。该结构是基于一种脊型波导，是一种PIN结构，脊型波导22的脊型区12宽度为W。P、N型离子被注入脊型波导22的平板区11和脊型区12；P型离子注入掺杂区13和N型离子注入掺杂区14沿波导中光传输方向成周期性分布。由于波导中载流子的浓度会使波导有效折射率发生改变，因此离子掺杂区13、14中载流子会形成该区域折射率的微扰，使得在脊型波导22内沿光传输方向形成折射率变化的载流子诱导波导光栅结构15。P型掺杂区13和N型掺杂区14中间间隙19的宽度G可以大于或等于0。当G＞W时，P型掺杂区域13和N型掺杂区域14仅在两侧平板区11中存在，形成PIN掺杂结构；当0＜G＜W时，P型掺杂区域13和N型掺杂区域14除了在平板区11中存在，在中间脊型区12内也同时存在，也形成PIN掺杂结构；当G＝0时，P型掺杂区域13和N型掺杂区域14除了在平板区11和中间脊型区12中同时存在，形成PN型掺杂结构。图4(a)中两种掺杂的形成的光栅边界沿波导传输方向成线性分布；本结构中掺杂形成的光栅边界沿波导传输方向并不限制于线性分布，可以有多种分布形式，如正弦函数周期性分布、阶梯型周期性分布、锯齿状周期性分布等。注入离子而产生的载流子或外界注入的载流子在该结构中的分布将也形成相同或类似的光栅周期结构。折射率的周期性光栅分布与P、N型离子注入分布相同或类似。本结构不需要在波导芯层22与周围包层16区域通过刻蚀等工艺形成永久性刻蚀光栅结构。图4(b)是图4(a)中沿AA’方向上的波导横截面示意图。P型掺杂区13和N型掺杂区14分别位于掺杂间隙19的两侧。脊型波导22的脊型区12的高度为H0，平板区高度为H1。P型掺杂区13和N型掺杂区14的掺杂高度h小于或等于光传输波导芯层22的高度H0。当掺杂高度过小时，仅在波导芯层22上侧形成周期性P型掺杂区13和N型掺杂区14；当掺杂高度等于波导芯层22的高度时，在波导芯层22中P型掺杂区域13和N型掺杂区14将垂直贯穿波导芯层22。光栅波导15还包括一下包层18和上包层17，该上包层17和下包层18环绕于波导光栅15。该上、下包层的材料相同或不同，且上包层为一层或多层结构。处于波导芯层脊型波导22下面的下包层18和覆盖波导芯层脊型波导22的上包层17组成包层16。在P型掺杂区域13和N型掺杂区14施加偏压时，掺杂区域内的两种载流子可以被抽空或重新注入。当注入区载流子被抽空时，掺杂区域13、14将接近于本征区，其有效折射率与其它未掺杂区域有效折射率相同或相近，此时波导光栅结构将消失，该结构将起到导波的作用，与未掺杂的脊型波导22相同；当改变偏压方向，载流子重新注入掺杂区域13、14，此时波导光栅结构重新形成，对设计的波长进行滤波。通过施加偏压的大小，可以改变掺杂区域载流子浓度，不但能够使反射波长产生变化还可以对反射强度产生较大的改变，能够使该载流子诱导光栅产生滤波和导波双重功能。在掺杂区域13、14不施加任何偏压，由于掺杂区域固有的载流子同样会构成光栅结构，起到滤波功能。因此，载流子诱导波导光栅15是在偏压下以抽空载流子的方式，实现波导导波的功能；在偏压下注入载流子或不注入载流子均能实现导波光栅的滤波功能，诱导波导光栅是沿光传输方向周期排列。

图5(a)是图1的另一种结构。该结构也是基于一种脊型波导，是一种PN结构，波导芯层脊型波导22的宽度为W。此结构中也含有P、N两种掺杂，P型掺杂区包括高浓度的P掺杂区13和低浓度的P-掺杂区20，N型掺杂区域包括高浓度的N掺杂区14和低浓度的N-掺杂区21。P掺杂区域13或N掺杂的区域14小于P-掺杂区域20或N-掺杂的区域21。该掺杂区域13、14中的P型和N型掺杂的浓度相同或不相同，P-和N-掺杂的浓度相同或不同；P掺杂浓度高于P-掺杂浓度；N掺杂浓度高于N-掺杂浓度；P-、N-掺杂区域相连接，其界线一般位于波导芯层轴线方向。P-掺杂区20、N-掺杂区21分布于分界线的两侧。沿光传输方向的P-、N-掺杂区20、21界线不限于线性，也可以是其它曲线分布，如正弦函数周期性分布、阶梯型周期性分布、锯齿状周期性分布等。P-掺杂区20、P掺杂区13位于芯层脊型波导22的同一侧，P掺杂区13位于P-掺杂区20之中或P掺杂区13与P-掺杂区20相连接。N-、N掺杂区21、14同位于芯层脊型波导22的另一侧，N掺杂区14位于N-掺杂区21之中或N掺杂区14与N-掺杂区21相连接。P、N掺杂区域沿波导中光传输方向成周期光栅的均匀分布。P掺杂区域13和N掺杂区域14在波导横界面方向的间隙19的宽度为G。P、N两种掺杂形成的光栅边界沿波导传输方向成线性分布。低浓度的P-、N-掺杂分布不是周期光栅结构分布。本结构中P、N掺杂形成的光栅边界沿波导传输方向并不限于线性分布，可以有其它多种分布形式，如正弦函数周期性分布、阶梯型周期性分布、锯齿状周期性分布等。P、P-、N-、N四种注入深度可以根据离子注入能量决定，可以在波导表层掺杂，也可以使离子注入贯穿波导厚度。为使每种掺杂在波导横截面上分布均匀，每种掺杂可以采用不同的注入能量多次注入。因P、N掺杂浓度高于P-、N-掺杂浓度，P掺杂区13和N掺杂区14中注入离子产生的载流子或外界注入的载流子在该结构中的分布将也形成相同或类似的光栅周期结构。由于波导中载流子的浓度会使波导有效折射率发生改变，从而在P掺杂区13和N掺杂区14中的折射率与周围低掺杂或没有掺杂的区域不同，形成折射率的周期性光栅分布，其光栅分布形式与P掺杂区13/N掺杂区14的分布相同或类似。本结构不需要在波导芯层与周围区域通过刻蚀等工艺形成永久性刻蚀光栅结构。图5(b)是图5(a)沿BB’方向的波导横截面示意图。在该截面中有P、P-、N-、N四种掺杂分布。P掺杂区13、N掺杂区14位于脊型波导脊型区12的两侧，中间脊的位置为低掺杂的P-、N-区域20、21。P掺杂区13和N掺杂区14之间的间隙19宽度G可以随设计变化，可以为零；P、N掺杂深度h也可以根据注入能量的不同而不同。在P掺杂区13、N掺杂区14施加偏压时，掺杂区域内的两种载流子可以被抽空或重新注入。当注入区载流子被抽空时，掺杂区域13、14、20、21将接近于本征区，整个区域内有效折射率相同或相近，此时光栅结构将消失，该结构将起到导波的作用，与未掺杂的脊型波导相同；当改变偏压方向，载流子重新注入掺杂区域，此时高浓度掺杂区13、14的载流子浓度将高于低浓度掺杂区20、21，光栅结构重新形成，对设计的波长进行滤波反射。通过施加偏压的大小，可以改变掺杂区域载流子浓度，不但能够使反射波长产生变化还可以对反射强度产生较大的改变，能够使该载流子诱导光栅产生滤波和导波双重功能。

图6给出了载流子诱导光栅在导波与滤波下的反射光谱结果。在偏压下抽空载流子时，光栅将消失，此时为波导结构，起导波作用；当在另一反向偏压下注入载流子或不施加任何偏压时，载流子分布形成光栅结构，该光栅结构能实现滤波功能。也可部分抽空或注入载流子，对光栅反射或透射强度进行调节。

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

1.一种可调谐载流子诱导波导光栅，包括：

一光传输波导；

周期型分布的P型掺杂区，形成在光传输波导芯层内的一侧，该P型掺杂区包括高浓度的P掺杂区和低浓度的P-掺杂区，N型掺杂区域包括高浓度的N掺杂区和低浓度的N-掺杂区；P掺杂区或N掺杂区小于P-掺杂区或N-掺杂区；P掺杂区位于P-掺杂区之中或P掺杂区与P-掺杂区相连接；N-、N掺杂区同位于芯层脊型波导的另一侧，N掺杂区位于N-掺杂区之中或N掺杂区与N-掺杂区相连接；

2.如权利要求1所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中光传输波导芯层为脊形波导或条形波导，为脊形波导时包括其两侧的平板区和中间的脊形区。

3.如权利要求1所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中P掺杂区和N掺杂区的掺杂高度小于或等于光传输波导芯层的高度。

4.如权利要求1所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中P掺杂区和N掺杂区中间间隙的宽度大于或等于0。

5.如权利要求1所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中所述的间隙沿光传输方向的分布形状是线性分布、正余弦函数周期性分布、阶梯型周期性分布或锯齿状周期性分布。

6.如权利要求1所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中所述的波导光栅还包括一下包层和上包层，该上、下包层环绕于波导光栅，该上、下包层的材料相同或不同。

7.如权利要求6所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中所述的上包层为一层或多层。

8.如权利要求5所述的可调谐载流子诱导波导光栅，其中P型和N型掺杂的浓度相同或不相同，P-和N-掺杂的浓度相同或不同；P掺杂浓度高于P-掺杂浓度；N掺杂浓度高于N-掺杂浓度；P-、N-掺杂区域相连接，其界线一般位于波导芯层轴线方向；沿光传输方向的P-、N-掺杂区域界线分布形状是线性分布、正弦函数周期性分布、阶梯型周期性分布或锯齿状周期性分布。