CN102540505A - 基于对称垂直光栅耦合的soi基电光调制器 - Google Patents

Abstract

一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，包括：一个对称垂直耦合光栅，作为SOI基电光调制器与单模光纤的接口或耦合器和SOI基电光调制器输入端的3-dB光学分束器；两个模式转换器，作为对称垂直耦合光栅处宽波导与单模脊型波导的连接；两个光学相移臂，每个光学相移臂由单模脊型波导和嵌入到其中的电学结构组成；一个光学合束器，用于将对称垂直耦合光栅分成的两个光学相移臂中的光合为一束，从而将光的相位调制转换为强度调制；两个共面波导行波电极，分别位于两个光学相移臂的上面，与光学相移臂中的电学结构形成电学接触，用于射频/微波电调制信号的加载和传输；一个环形金属对准标记，位于对称垂直耦合光栅的周围，用于光栅测试时对光纤的对准。

Description

基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器

技术领域

本发明涉及到硅基光子学及芯片级光互连技术，尤其涉及一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器。

背景技术

微电子技术和光纤通信技术是人类信息社会的两大基石。近半个世纪来，随着集成电路的发展，硅基材料和器件工艺已经非常惊人的成熟，而且随着工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。芯片更高的集成度带来的不仅仅是晶体管数目的增加，更是芯片功能和处理速度的提升。例如，Intel采用的45nm工艺最新的8核微处理器Nehalem-EX的晶体管数目达到23亿个。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，微电子工艺的局限性也日趋明显。一方面是由于器件线宽的不断减小，传统的光刻加工手段已经接近极限，此外，当器件尺寸接近纳米尺度时，将会引入不可期望的量子物理效应，从而导致器件失效。另一方面是由于随着晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小，单个晶体管的延时和功耗越来越小，而互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。在当今的处理器中，电互连引起的功耗占了整个芯片总功耗的80％以上。因此，可以看到深亚微米特征尺寸下电互连延迟和功耗的瓶颈，已经严重制约了芯片性能的进一步提高。片上互连迫切需要一种比电互连更高速更宽带的互连方式。

相比微电子技术，光纤通信技术虽然起步较晚，但是其发展速度异常惊人。光纤通信具有损耗低、频带宽、容量大、抗电磁干扰等优点，因此备受业内青睐。从1980年到2000年的20年间，光纤通信系统的传输容量增加了一万倍，传输速度提高了大约100倍，给人类带来了一个无限带宽的高速信息载体。毫无疑问，光互连在长距离通信中优势是明显的，也取得了广泛的应用和成功，于是人们设想能否将光互连引入到芯片级尺寸来解决片上电互连的瓶颈呢？纵观近十年来，通信方式已经在从传统的电互连到光互连逐步的过渡，中短距离通信中，目前虽然是电互连为主，但光互连已经有逐步渗透的趋势。目前光互连尚未涉足的领域就是片间以及片内的通信。从两种互连方式比较而言，光互连有明显的优势，其高带宽、低能耗、延迟小、抗电磁干扰的优点是芯片内铜互连线所无法比拟的。因此，研究芯片级的光子技术并使其与世界上最为成熟廉价的硅CMOS工艺兼容，对于实现片上光互连和解决微电子芯片的性能瓶颈具有十分重要的意义和价值。

近年来，SOI材料由于其强的光限制能力以及硅在光通信波段透明的特性，成为一个极具吸引力的硅光子技术平台，并且发展十分迅速，许多有重大意义的成果相继被提出和验证，光栅耦合器、MZI调制器、微环调制器、锗波导探测器、复用解复用器件等的问世也似乎宣告了一个光子时代即将到来。然而，挑战和困难也是巨大的，最大的难题在于缺乏芯片级可用的硅基光源，由于硅是间接禁带半导体材料，用硅材料制作光源几乎是不可能完成的任务，目前国际上提出较多的方案是采用键合III-VI族激光器与硅波导耦合，最近，关于硅基上混合生长III-VI族材料的激光器更是让人们对于光子时代的到来更加期待。正由于硅光子技术的潜在巨大应用价值和前景，世界各国都给予了足够的重视和投入，特别是Luxtera、Intel、IBM等计算机通信行业巨头投入了巨大的人力物力财力，也取得了许多重要的进展，Luxtera的单片光收发模块、Intel的50Gb/s的光子连接系统、IBM的CMOS集成硅基纳米光子技术等开启了硅基光电功能集成的新纪元，也极大的推动了硅基光子学的发展。可以预测，未来的几十年里，硅光子技术将迎来突破型的进步和发展并逐渐取得广泛应用。

从单个器件方面，光栅耦合器作为一种芯片与片外光源的接口，目前主要是基于单模光纤耦合的研究，它具有大的对准容差能力、可以随意放置、易于实现片上测试、无需端面抛光等优点，因此被认为是一种很有用的片上耦合器件。然而，由于均匀光栅结构满足垂直耦合时，正好满足布拉格条件，作为输出耦合器，由于光栅引起的布拉格后反射很强，作为输入耦合器，则向上返回光纤的二次反射很大，因此，垂直耦合时的效率非常低。为了增加耦合效率，一般将光纤偏离垂直十度左右的倾角。除了光纤倾角要求苛刻之外，测试时，光纤中心的位置往往还需要调整，这大大增加了测试的难度，降低了测试的可靠性。通过采用啁啾光栅结构，通过精确的设计来改变光栅的周期可以实现高效率的垂直耦合，然而，这种光栅结构需要复杂的设计，此外，由于此周期是非均匀的渐变的，故而对工艺的要求比较高，器件容差能力较差。因此，高效率的垂直耦合光栅是光栅迈向实用化的关键。电光调制器作为片上光互连的关键器件近年来研究最为广泛，取得的进展也最为突出。目前，p-i-n正向微环调制器已经能够实现18Gb/s的速度，而反向耗尽型MZ调制器更是能够达到40Gb/s的调制速度。相比微环调制器件，MZ调制器虽然尺寸和插损较大、功耗较高，然而却也不像微环器件对工艺和温度那样敏感，此外还拥有较大的光学带宽。因此，目前MZ调制器更加接近于实用化。本发明通过采用对称垂直光栅耦合来实现耦合和分束，可认为是对称垂直耦合光栅和MZ调制器的结合体，兼具了两者的优点，不仅使得光栅的测试更加容易和精确，而且可期望减小调制器的插入损耗，减少微波电极的高频电衰减和损耗，有望获得更高速更低压更小插损的调制器件，可以进一步与锗波导探测器以及调制电路集成，具有非常重要的实际意义和改进价值，有望在未来的片上光互连网络中获得广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，其具有耦合调制功能一体化、易于对准、低插入损耗、低压等潜在的特性和优点，另外其制作工艺与CMOS工艺兼容。

本发明提供一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，包括：

一个对称垂直耦合光栅，作为SOI基电光调制器与单模光纤的接口或耦合器和SOI基电光调制器输入端的3-dB光学分束器；

两个模式转换器，作为对称垂直耦合光栅处宽波导与单模脊型波导的连接，可以实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；

两个光学相移臂，每个光学相移臂由单模脊型波导和嵌入到其中的电学结构组成，该电学结构是正向p-i-n结构、反向pn结构或MOS电容结构；

一个光学合束器，是Y分支或者MMI耦合器，用于将对称垂直耦合光栅分成的两个光学相移臂中的光合为一束，从而将光的相位调制转换为强度调制；

两个共面波导行波电极，分别位于两个光学相移臂的上面，与光学相移臂中的电学结构形成电学接触，用于射频/微波电调制信号的加载和传输；

一个环形金属对准标记，位于对称垂直耦合光栅的周围，用于光栅测试时对光纤的对准。

由上面的分析可知，该器件可以完成耦合功能同时实现高速调制，在输出端集成锗波导探测器便可以完成电输入、光传输、电输出的光电子集成回路，可以在片上光互连/光通信网络中获得应用。

附图说明

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，其中：

图1是本发明的具体实施例立体结构示意图；

图2是本图1中A-A′对称垂直耦合光栅的耦合截面示意图；

图3是本发明具体实施例中对称耦合光栅耦合效率模拟曲线图；

图4是图1中a-b-c-d区域的具体实施例图；

图5是图4中A1-B1-C1-D1区域的放大顶视图和B-B′的截面示意图；

具体实施方式

由于本发明是基于SOI衬底材料设计的硅基电光调制器，对于不同的埋氧层厚度以及顶层硅厚度，为达到功能要求相应的最佳设计也不同，因此为了方便进行叙述，本发明衬底材料默认为具体实施参数，即埋氧层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm。

请参阅图1及图2，本发明提供一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，包括：

一个对称垂直耦合光栅1，作为SOI基电光调制器与光纤21(图2中)的接口或耦合器和SOI基电光调制器输入端的3-dB光学分束器；

两个模式转换器2，作为对称垂直耦合光栅1处宽波导与单模脊型波导3的连接，可以实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；

两个光学相移臂4，每个光学相移臂4由单模脊型波导3和嵌入到其中的电学结构组成，该电学结构是正向p-i-n结构、反向pn结构或MOS电容结构；

一个光学合束器5，是Y分支或者MMI耦合器，用于将对称垂直耦合光栅1分成的两个光学相移臂4中的光合为一束，从而将光的相位调制转换为强度调制。

两个共面波导行波电极6，分别位于两个光学相移臂4的上面，与光学相移臂4中的电学结构形成电学接触，用于射频/微波电调制信号的加载和传输；

一个环形金属对准标记7，位于对称垂直耦合光栅1的周围，用于对称垂直耦合光栅1测试时对单模光纤21的对准，该环形金属对准标记7的内环直径为单模光纤21包层直径，该单模光纤21包层直径为125μm，该环形金属对准标记7与对称垂直耦合光栅1同心，以保证对称垂直耦合光栅1作为输入端完全对称的3-dB分束器使用。如此，可以在测试时直接将单模光纤21与金属环型对准标记7进行对准，大大降低了测试的复杂度，提高了对准的精度，甚至可以在对准后通过紫外固化将光纤固定，从而使光源输入像电测试里的Wire bonding一样方便。

所述的采用对称垂直耦合光栅1作为单模光纤21与SOI基电光调制器的输入接口，以实现完全垂直耦合，并且在单模光纤21处于对称垂直耦合光栅1中心时，将耦合进入的光能量分成完全对称的两束光分别进入对称垂直耦合光栅1两侧的两个模式转换器2中，经模式转换进入单模脊型波导3，沿相反的方向单模传播，从而该结构具备耦合器和输入端的3-dB分束器的功能。

所述的两个光学相移臂4经弯曲后，使得光学相移臂4两侧的掺杂区形成复用，在实现相同相移长度的前提下，将掺杂区长度减至一半，进而使得共面波导行波电极6在负载区的长度也相应减小，从而减少共面波导行波电极6的电信号反射和衰减。

所述的光学合束器5用于将由对称垂直耦合光栅1耦合并分束的两束相向传播的光经由两个光学相移臂4的相位调制后合为一束，从而将相位调制转化为光的强度调制。

根据以上所述的基于对称垂直耦合光栅的SOI基电光调制器，其能够完成将射频/微波电调制信号加载到光载波上进行传输，既可以通过对其中一个光学相移臂4施加高频电信号进行调制，也可以使用差分信号对两个光学相移臂4同时进行调制，因此能够作为电光调制器使用。

图2为对称垂直光栅耦合截面示意图，该对称垂直耦合光栅1的特点是，单模光纤21与对称垂直耦合光栅1绝对垂直，且处于共心。图中对称垂直耦合光栅1上方为单模光纤21芯层和包层示意，一般普通的单模光纤芯层为直径八到九个微米，出射模式为高斯模式，模斑直径为10.4μm，因此，为确保耦合效率，光栅长度应稍大，在我们的实施方案中，对称垂直耦合光栅1的长度为12um。从示意图中可以看出，从单模光纤21出射的能量PF在耦合进入芯片时，主要分成四部分，即向上反射的能量PR，向下透射的能量P_T，耦合进入左侧宽波导的能量P1，耦合进入右侧宽波导的能量P₂。当单模光纤21与对称垂直耦合光栅1同心时，根据对称性，应有P₁＝P₂。此时，对称垂直耦合光栅1即作为耦合器又作为输入端的3-dB能量分束器将耦合进入的能量分成完全对称的两束TE偏振的光。为了获得最大效率耦合，有以下设计参数：对称垂直耦合光栅1的刻蚀深度d、对称垂直耦合光栅1的周期Λ、对称垂直耦合光栅1的光栅条宽度W、对称垂直耦合光栅1的光栅周期数N等。对称垂直耦合光栅1可为均匀光栅也可为非均匀光栅，若为非均匀光栅，则需要保证光栅关于XY平面对称。本实施例中，对称垂直耦合光栅1采用均匀光栅结构。

图3为本发明对称垂直耦合光栅1具体实施例耦合效率仿真曲线。曲线横轴为波长，纵轴为单模光纤21输出功率为1时耦合进入两侧波导中的光透射功率，也即是耦合进入两侧波导的光功率与单模光纤21出射功率的归一化值。蓝色曲线和黑色曲线分别代表进入右侧宽波导和左侧宽波导的光耦合效率，由于两侧光传播方向相反，对应光学透射有正负之分。可以看出，对称垂直耦合光栅1耦合进入两侧的光谱是完全相同的。此外，我们也可以看到对称垂直耦合光栅1呈现出较平较宽的滤波特性。

图1中的a-b-c-d区域中，共面波导行波电极6仅为电学接触的简单示意，无法展现它的全貌，为了更加清楚具体的显示该区域的光学相移臂4结构和共面波导行波电极6的特征，图4给出了该区域的具体实施例的顶视图，以反向PN电学结构为具体实施例。该图内含单模脊型波导3、光学相移臂4以及共面波导行波电极5。如图示，与电学机构有源区相连的共面波导行波电极6共有一对GSG探针接触焊盘，其中一个用来加载射频微波信号，另外一个用以外接50Ω阻抗，来实现输入端阻抗匹配。

图5a、图5b分别为图4中的A₁-B₁-C₁-D₁区域的放大顶视图以及B-B′的截面示意图。如图示，电学结构P+-P-N-N+嵌入在两侧的单模脊型波导3中，构成光学相移臂4，轻掺杂P区和N区形成的结在波导脊内，用来形成欧姆接触的重掺杂P+、N+杂质注入在波导平板区域，通过在器件上方的SiO2钝化层刻蚀接触孔，共面波导行波电极6与光学相移臂4中的电学结构相连接。其中可设计的参数有：波导的宽度W₁、P区脊内宽度W₂、平板厚度h、重掺杂离脊区的距离d₁等。

本发明提供的基本结构为一个对称垂直耦合光栅，两个模式转换器，两个相移臂，一个合束器，两个共面波导行波电极，一个环形金属对准标记。本发明最大的特色在于采用了对称垂直耦合光栅作为输入耦合器以及耦合能量的3-dB分束器，从而构造了一个类似MZI的光学结构，在这个结构的两个臂中引入相移电学结构后，便可以实现光强调制的目的。前面我们已经提到过光栅作为输入耦合器在满足垂直耦合条件时，由于存在很强的二次反射，单端的耦和效率非常低，然而经过我们的模拟计算，如果考虑两端耦合进入的总光能量，则可以与斜入射光栅的单端效率相媲美。而且，在光纤处于光栅正中心时，光纤中的光能量耦合进入光栅后，由于完全对称性，将分成相同的两束光，沿相反的方向行进传播。由于与光栅对接的波导很宽，为多模波导，因此，要想使波导中的光满足单模传输，必须要引入模式转换器。它通过波导宽度从多模波导到单模波导的渐变，可以近似绝热无损的实现光能量传输和模式转换。转换为单模波导后，由于SOI波导的强限制特性，我们通过波导的弯曲将调制器的两臂均折叠起来，一方面可以减小器件的尺寸，另外一方面可以通过复用掺杂区，在同等相移长度的条件下，将掺杂区以及微波电极的长度减半。对于频率为射频微波波段的电调制信号而言，金属传输线不可以再被认为是短路线，而是一个分布系统，由于传输线的特征阻抗和负载阻抗之间的失配，传输线上的电反射损耗引起的电压衰减是我们不期望的。因此，在不改变相移效率和相移长度的前提下减小传输线的长度对改善微波电极的高频电压衰减和调制器速度具有重要的有益作用。两个光学臂均嵌入了电学相移结构，测试时，可以对其中一臂加载电信号，也可以对两臂同时加载差分信号，后者可以用来对器件的低压性能进行测试。在这里，将两臂设计成不对称结构具有几十μm的臂长差被认为是有利的，因为这会使这个类MZ结构具有波长选择性，从而使得该器件传输光谱周期性的在某些波长处呈现下陷，这个周期称作该光学结构的自由光谱范围(FSR)。由于传输光谱具有自由光谱范围，我们可以在测试中通过观察在下陷波长处的消光比(ER)来评估光纤放置的对称性，此外，也可以在后期静态电学测试中，通过加电后谱线的波长移动与FSR的比值来计算器件的相移效率。器件的输出端可以通过一个Y分支合束器或者MMI耦合器将两束光合二为一，之后通过单模波导输出。这样，在不计入波导损耗以及掺杂损耗的情况下，器件光学输出为高时，总功率为光栅耦合进入的总功率减去合束器的插入损耗。因此，合束器的插损越小越好。共面波导行波电极设计为GSG结构，通过接触孔与调制器有源区相连，为了满足阻抗匹配，应将电极的特征阻抗设计为50Ω。最后为了对光栅进行测试和将光纤对准，我们利用金属层设计了一个环形对准标记，环的内径与单模光纤的包层直径相等，为125μm，如此，在对光纤进行对准时，便有了参照物，只要移动精度足够，便可以实现全对称分束，器件功能得以保证，大大提高了器件测试的可靠度。

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较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的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、思想和原则范围内，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 (6)

1.一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，包括：

一个对称垂直耦合光栅，作为SOI基电光调制器与单模光纤的接口或耦合器和SOI基电光调制器输入端的3-dB光学分束器；

两个模式转换器，作为对称垂直耦合光栅处宽波导与单模脊型波导的连接，可以实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；

两个光学相移臂，每个光学相移臂由单模脊型波导和嵌入到其中的电学结构组成，该电学结构是正向p-i-n结构、反向pn结构或MOS电容结构；

一个光学合束器，是Y分支或者MMI耦合器，用于将对称垂直耦合光栅分成的两个光学相移臂中的光合为一束，从而将光的相位调制转换为强度调制；

两个共面波导行波电极，分别位于两个光学相移臂的上面，与光学相移臂中的电学结构形成电学接触，用于射频/微波电调制信号的加载和传输；

一个环形金属对准标记，位于对称垂直耦合光栅的周围，用于光栅测试时对光纤的对准。

2.根据权利要求1所述的基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，其中采用对称垂直耦合光栅作为单模光纤与SOI基电光调制器的输入接口，以实现完全垂直耦合，并且在单模光纤处于对称垂直耦合光栅中心时，将耦合进入的光能量分成完全对称的两束光分别进入对称垂直耦合光栅两侧的两个模式转换器中，经模式转换进入单模脊型波导，沿相反的方向单模传播，因而对称垂直耦合光栅具备耦合器和输入端的3-dB分束器的功能。

3.根据权利要求1所述的基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，其中该环形金属对准标记的内环直径为单模光纤包层直径，该环形金属对准标记与对称垂直耦合光栅同心，以保证耦合器作为完全对称的3-dB分束器使用。

4.根据权利要求3所述的基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，其中该单模光纤包层直径为125μm。

5.根据权利要求1所述的基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，其中对称垂直耦合光栅两侧的两个光学相移臂经弯曲后，使得光学相移臂两侧的电学结构掺杂区形成复用，在实现相同相移长度的前提下，将掺杂区长度减至一半，进而使得共面波导行波电极在负载区的长度也相应大大减小，从而减少共面波导行波电极的电信号反射和衰减。

6.根据权利要求1所述的基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器，其中光学合束器用于将由对称垂直耦合光栅耦合并分束的两束相向传播的光经由两个光学相移臂的相位调制后合为一束，从而将相位调制转化为强度调制。

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