CN102565955B - 电可调谐光栅耦合器 - Google Patents
电可调谐光栅耦合器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102565955B CN102565955B CN 201210012013 CN201210012013A CN102565955B CN 102565955 B CN102565955 B CN 102565955B CN 201210012013 CN201210012013 CN 201210012013 CN 201210012013 A CN201210012013 A CN 201210012013A CN 102565955 B CN102565955 B CN 102565955B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- oblique incidence
- coupling mechanism
- incidence grating
- grating coupling
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 51
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 33
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 120
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 120
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 120
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 80
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 8
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011982 device technology Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N tris Chemical compound OCC(N)(CO)CO LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
一种电可调谐光栅耦合器，包括：一SOI衬底，包括硅衬底、埋氧层以及上方的顶层硅层；一斜入射光栅耦合器，位于SOI衬底之上的顶层硅层上；一P+掺杂区，位于斜入射光栅耦合器的一侧平板区域内；一N+掺杂区，位于斜入射光栅耦合器的另一侧平板区域内；一对电极，位于P+掺杂区和N+掺杂区的上方，通过金属接触通孔分别与P+掺杂区和N+掺杂区相连，用于电信号的加载；一模式转换器，一端为宽波导，该模式转换器位于斜入射光栅耦合器的一端，具有宽波导的一端与斜入射光栅耦合器的一端耦合；一单模脊型波导，与斜入射光栅耦合器分别位于模式转换器的两端；一衬底金反射镜，嵌入于SOI衬底底部的硅衬底中，斜入射光栅耦合器和埋氧层的下方。
Description
技术领域
本发明涉及到硅基光电子技术，尤其涉及到SOI基一种电可调谐光栅耦合器。
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-V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。
从单个器件而言，光栅耦合器作为一种可以垂直放置光纤的光学接口，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。遗憾的是，普通的均匀光栅效率往往有一个上限，仅仅通过光栅参数的改变已经很难大幅度提高，而且由于工艺误差和不完美性的影响，光栅器件的测试往往和模拟结果有不小的偏差，例如出现中心波长的偏移或者是效率出现下降。因此，更高效率、更宽带、工艺容差能力更强成为了光栅研究和实用化的方向和重点。本发明立足于提高光栅的耦合效率以及光栅的工艺容差能力，分别采用衬底金反射镜和嵌入光栅的p-i-n电结构来分别实现了器件耦合效率的大幅提高以及器件的电可调谐。如前述，通过采用后工艺引入衬底金反射镜，可以将向下透射的光能量大部分反射回光栅，从而进一步耦合为波导中模式光能量，于是光栅耦合效率可以大大提高。此外，通过在光栅左右两侧平板中重掺杂形成P+和N+区从而将p-i-n电学结构嵌入到光栅器件中，可以利用电注入引起的等离子体色散效应来调谐光栅区域的折射率分布和吸收系数分布，从而改变了光栅的耦合光谱曲线。光栅在特定波长处的效率以及光栅的中心波长可以通过外加的电信号实现调谐，利用这个特性，我们可以将该器件用于对信道进行均衡，可以补偿温度和工艺带来的误差，此外，该器件还可以作为低速的电光调制器使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种电可调谐光栅耦合器，其与传统的光栅耦合器相比，具有耦合效率高、可调谐性、工艺容差能力强、CMOS工艺兼容等优点，可以在未来的片上/片间光互连网络中获得广泛应用。
本发明提供一种电可调谐光栅耦合器，包括：
一SOI衬底，包括硅衬底、埋氧层以及上方的顶层硅层；
一斜入射光栅耦合器，位于SOI衬底之上的顶层硅层上；
一P+掺杂区，位于斜入射光栅耦合器的一侧平板区域内；
一N+掺杂区，位于斜入射光栅耦合器的另一侧平板区域内；
一对电极，位于P+掺杂区和N+掺杂区的上方，通过金属接触通孔分别与P+掺杂区和N+掺杂区相连，用于电信号的加载；
一模式转换器，一端为宽波导，该模式转换器位于斜入射光栅耦合器的一端，具有宽波导的一端与斜入射光栅耦合器的一端耦合，实现近似绝热无损的模式转换；
一单模脊型波导，与斜入射光栅耦合器分别位于模式转换器的两端，用于引导斜入射光栅耦合器耦合进入且经模式转换后的光能量单模传输；
一衬底金反射镜，嵌入于SOI衬底底部的硅衬底中，斜入射光栅耦合器和埋氧层的下方。
本发明的基本结构为一个带衬底金反射镜的斜入射光栅以及嵌入该光栅的p-i-n电结构组成的电可调谐光栅耦合器。对于光栅耦合器来讲，耦合效率和光学带宽是最重要的两个性能评价指标，其中耦合效率决定了光源出射效率的片上利用率以及光互连链路后端的光功率强度，它与整个光互连链路的功耗以及探测接收的分辨率具有很大的关系。因此，提高光栅的效率对于片上光互连网络具有十分重要的意义。斜入射光栅是目前研究最多的一种光栅器件，通过将入射光纤偏离垂直方向一个小的角度比如8度或者十度，可以使得光栅器件的耦合具有方向性，即往一个方向波导耦合的光能量占主导，另一个方向耦合的光能量微乎其微。此时，影响光栅耦合效率的主要是衬底方向的光能量部分。衬底反射镜是通过SOI背面处理、光刻、刻蚀并填充金属引入的，它的作用是用来将光栅向衬底泄漏的光能量大部分返回再次利用，从而大大提高耦合效率。电结构是通过在光栅器件两侧的平板区域分别进行P+和N+掺杂，于是便形成了一个光栅内嵌其中的p-i-n结构。通过外加电压，p-i-n电学结构开始正向偏置，超过阈值电压后开始往光栅本征区域注入载流子，此后由于等离子体色散效应，光栅区域的折射率和吸收系数开始呈现出与载流子浓度分布相关的分布，于是光栅区域的有效折射率以及耦合特性开始发生变化，电压较低时，耦合曲线的移动较小，可以用来微调光栅的中心波长从而使得我们器件的工作波长处于最大耦合效率处；电压较大时，由于折射率改变而引起的曲线蓝移以及吸收引起的曲线下降可以使得光栅在特定波长处的耦合效率发生较大的改变，利用这一特性，该器件甚至有潜力作为一个低速的片上电光调制器。
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1a为本发明的结构立体示意图，显示其正面；
图1b为图1a的反面示意图；
图2a为图1a中A-A′的截面示意图；
图2b为图1a中B-B′的截面示意图；
图3a、图3b为本发明具体实施例有无衬底金反射镜9的斜入射光栅耦合器2的B-B′截面场分布对比图；
图4为本发明具体实施例有无衬底金反射镜9的斜入射光栅耦合器2耦合效率曲线对比图；
图5为本发明具体实施例斜入射光栅耦合器2区域A-A′方向不同电压下载流子分布；
图6a、图6b为本发明具体实施例斜入射光栅耦合器2区域外加偏压为2V时复折射率(n、k)的平面分布图；
图7a、图7b为本发明具体实施例无衬底金反射镜9的斜入射光栅耦合器2的耦合曲线随电压变化。
具体实施方案
由于本发明是基于SOI衬底材料设计的硅基可调谐光栅耦合器，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。
图1a、图1b为本发明的立体效果示意图，分别为本发明正面和反面的示意图。参阅该图可见，本发明提供一种电可调谐光栅耦合器，包括：
一个SOI衬底1，包括硅衬底10、埋氧层11以及上方的顶层硅层12；
一个斜入射光栅耦合器2，位于SOI衬底1之上的顶层硅层12上；
一个P+掺杂区3，位于斜入射光栅耦合器2的一侧平板区域内；
一个N+掺杂区4，位于斜入射光栅耦合器2的另一侧平板区域内；
一对电极5，位于P+掺杂区3和N+掺杂区4的上方，通过金属接触通孔分别与P+掺杂区3和N+掺杂区4相连，用于电信号的加载；
一个模式转换器6，一端为宽波导7，该模式转换器6位于斜入射光栅耦合器2的一端，具有宽波导6的一端与斜入射光栅耦合器2的一端耦合，实现近似绝热无损的模式转换；
一个单模脊型波导8，与斜入射光栅耦合器2分别位于模式转换器6的两端，用于引导斜入射光栅耦合器2耦合进入且经模式转换后的光能量单模传输。
一个衬底金反射镜9，嵌入于SOI衬底1底部的硅衬底10中，斜入射光栅耦合器2和埋氧层11的下方；
所述的P+掺杂区3和N+掺杂区4分别位于斜入射光栅耦合器2的两侧平板区域，同斜入射光栅耦合器2的无掺杂区域构成横向p-i-n电学结构，从而通过载流子向本征区域的注入和抽取来改变斜入射光栅耦合器2区域的载流子浓度分布，从而改变斜入射光栅耦合器2耦合区域的折射率分布和吸收系数分布，从而使得斜入射光栅耦合器2耦合谱的中心波长发生移动以及耦合效率的变化。
所述的电极5通过其外加电压的改变，使得斜入射光栅耦合器2的中心耦合波长以及在特定波长处的耦合效率受到调控，因而具备电调谐的功能。
所述的衬底金反射镜9通过后工艺在斜入射光栅耦合器2的下方硅衬底10刻出金属填充窗口直至埋氧层11，用来将斜入射光栅耦合器2耦合输入时向下透射的能量或者耦合输出时向下散射的能量反射回斜入射光栅耦合器2，从而进一步耦合到宽波导7或者单模光纤21中，如此可以大大提高耦合效率。
请参阅图2a，为图1a中A-A′的截面示意图。即平行于斜入射光栅耦合器2的光栅条方向的截面示意图，实际上，横向可能会有两个截面，一个截面是切面在光栅条上，另一个截面是切面在光栅槽上，即斜入射光栅耦合器2刻蚀的宽度范围内。然而假设斜入射光栅耦合器2是浅刻蚀，两种情况区别并不大，这里我们默认该图为前者。可以看到斜入射光栅耦合器2区域下方硅衬底10被挖空至埋氧层11，并填充了金作为衬底金反射镜9。在实际应用时，为保证反射的效果，衬底金反射镜9的尺寸应稍大于斜入射光栅耦合器2区域。器件上方被二氧化硅包覆，为了防止带来大的光损耗，两侧平板P+掺杂区3和N+掺杂区4应距离斜入射光栅耦合器2区域宽波导7的脊一段距离，在图中显示为D，两侧平板的厚度为H，P+掺杂区3和N+掺杂区4的掺杂浓度为N，上边三个参数为决定器件电特性的重要指标，它决定着该发明电调谐的灵敏度和速度。图2b为图1中B-B′截面示意图，设斜入射光栅耦合器2为均匀光栅，为达到最高效率耦合，图中单模光纤21的倾角为θ，斜入射光栅耦合器2的主要参数为光栅条宽度W、周期Λ、光栅刻蚀深度T、光栅长度L以及光栅周期数N，这些参数影响着斜入射光栅耦合器2的耦合光谱线形，通过改变这些参数，可以得到不同效率和带宽的光栅耦合器，进而得到不同调谐灵敏度和不同调谐范围的器件。一般而言，3-dB带宽越小，调谐灵敏度越高；效率越高，可调谐范围越大。
图3为本发明斜入射光栅耦合器2在中心波长附近耦合纵向截面电场强度分布图，为了对比，本图分别给出了有无衬底金反射镜9的斜入射光栅耦合器2的耦合电场分布，如图3b和图3a所示，可以看出，在斜入射光栅耦合器2中心波长附近，斜入射光栅耦合器2可以将由单模光纤21入射的光能量大部分耦合到单侧宽波导7中。仅仅从图片上来看，两者似乎并无太大区别，然而注意到该图为电场强度的线形分布，即右侧强度条中均为绝对值，可以看出有衬底金反射镜9时，左侧宽波导7中耦合的光场强度要大大提高。
为了更直观明显的量化衬底金反射镜9对斜入射光栅耦合器2耦合效率带来的影响和提高，图4给出了本发明具体实施例斜入射光栅耦合器2有无衬底金反射镜9的耦合效率光谱曲线，可以看到，在添加了衬底金反射镜9之后，斜入射光栅耦合器2耦合效率在整个谱线范围内都有了明显的提高，其中在中心波长处的峰值耦合效率由55％升至80％左右，可以看出，通过引入衬底金反射镜9本发明实现了高效的耦合。
图5为该发明具体实施例外加电压时，斜入射光栅耦合器2区域内的载流子浓度A-A′方向分布图，我们前面提到由于斜入射光栅耦合器2的每个周期都由光栅条和光栅槽组成，因此载流子的注入实际上在垂直于斜入射光栅耦合器2方向上是不均匀的，但是考虑到我们的具体实施例中的斜入射光栅耦合器2是浅刻蚀，所以在模拟计算时认为光栅条和槽区域载流子浓度是一致的，此外，在斜入射光栅耦合器2区域的高度方向上认为载流子的注入是均匀的，因此载流子的分布只是斜入射光栅耦合器2长度方向上的函数。为了表征不同外加电压下载流子浓度的横向分布，我们通过电学模拟软件进行了模拟，分别得到了电压为1V、2V、3V下载流子浓度分布，如图示，x方向从-6到6为斜入射光栅耦合器2长度范围，电压为1V时，可以看出腔内平均载流子浓度在x方向近乎均匀，当外加电压升至2V和3V时，腔内载流子浓度明显在x方向呈现出一个明显的浓度梯度，用以抵消外加电场的作用，从而达到载流子的稳态。电压越高，载流子浓度梯度越大。同时可以看出，p-i-n二极管的载流子注入并不会随着电压的升高而无限制增加，达到一定电压后，载流子注入水平趋于饱和，总注入不再改变，电压的增加仅仅体现为浓度梯度的改变。
图6a、图6b为本发明具体实施例电压为2V时由等离子体色散关系得到对应斜入射光栅耦合器2区域的复折射率实部n和虚部k在(x，y)平面内的分布，其中x方向对应于斜入射光栅耦合器2长度方向，y方向对应于斜入射光栅耦合器2宽度方向。由前面所述，认为载流子浓度在z方向也即斜入射光栅耦合器2高度方向上为均匀的，也即复折射率的分布在z方向也是均匀的。故而，(n，k)的平面分布既能完全表示斜入射光栅耦合器2区域的复折射率分布。将该分布代入到整个斜入射光栅耦合器2区域的光学模拟，便可以得到电压变化对于斜入射光栅耦合器2耦合的影响。
图7a、图7b为本发明具体实施例无衬底金反射镜9的斜入射光栅耦合器2耦合曲线随外加电压变化，即是不同电压条件下由载流子浓度分布换算得到复折射率分布后，从而将电学模拟的结果代入到光学模拟后的耦合曲线变化。图7a为斜入射光栅耦合器2耦合曲线随电压变化而变化线性结果，图7b为转换为dB形式，也即换算为插入损耗的结果。由于3-D模拟非常耗时，尤其是加入衬底金反射镜9之后，计算的数据量更是惊人的大，因此，在这里，我们只对无衬底金反射镜9的斜入射光栅耦合器2电调谐的影响做了模拟计算，易知衬底金反射镜9只是整体上增加了斜入射光栅耦合器2的耦合效率，与电结构的调谐并无关系，因此，可以通过无衬底金反射镜9的器件电调谐效果想到有衬底金反射镜9的器件调谐效果。可以看出，当外加电压很小时，斜入射光栅耦合器2的耦合曲线蓝移较小，此外由于载流子吸收引起的损耗可以忽略，耦合效率的下降也微乎其微，利用这个特性，我们可以通过外加一个小的直流电平从而抵消因工艺的不完美和误差而引起器件理想特性的偏离。当外加电压较大时，中心波长的蓝移范围增大，3V时蓝移达到近60nm，此外，在特定波长比如1.55um附近的中心耦合波长处，加电后，效率最大可由51％至下降至10％，用dB表示则单波长处的消光比达到了7dB，这个结果已经达到了调制器的需求。然而由于该p-i-n结本征区较宽，使得该结的扩散电容较大，这也限制了它作为高速调制器的应用。
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 (3)
1.一种电可调谐光栅耦合器，包括：
一SOI衬底，包括硅衬底、埋氧层以及上方的顶层硅层；
一斜入射光栅耦合器，位于顶层硅层上；
一P+掺杂区，位于斜入射光栅耦合器的一侧平板区域内；
一N+掺杂区，位于斜入射光栅耦合器的另一侧平板区域内；
所述P+掺杂区和N+掺杂区同斜入射光栅耦合器的无掺杂区域构成横向p-i-n电学结构；
一对电极，位于P+掺杂区和N+掺杂区的上方，通过金属接触通孔分别与P+掺杂区和N+掺杂区相连，用于电信号的加载；
一模式转换器，一端为宽波导，该模式转换器位于斜入射光栅耦合器的一端，具有宽波导的一端与斜入射光栅耦合器的一端耦合，实现近似绝热无损的模式转换；
一单模脊型波导，与斜入射光栅耦合器分别位于模式转换器的两端，用于引导斜入射光栅耦合器耦合进入且经模式转换后的光能量单模传输；
一衬底金反射镜，嵌入于SOI衬底底部的硅衬底中，斜入射光栅耦合器和埋氧层的下方。
2.根据权利要求1所述的电可调谐光栅耦合器，其中通过内嵌的p-i-n结构的载流子注入和抽取，改变斜入射光栅耦合器耦合区域的折射率分布和吸收系数分布，从而使得斜入射光栅耦合器耦合谱的中心波长发生移动以及耦合效率的变化。
3.根据权利要求1所述的电可调谐光栅耦合器，其中嵌入于SOI衬底底部的硅衬底中的衬底金反射镜，是通过后工艺在斜入射光栅耦合器的下方硅衬底刻出金属填充窗口直至埋氧层，用来将斜入射光栅耦合器耦合输入时向下透射的能量或者耦合输出时向下散射的能量反射回斜入射光栅耦合器，从而进一步耦合到宽波导或者单模光纤中。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201210012013 CN102565955B (zh) | 2012-01-16 | 2012-01-16 | 电可调谐光栅耦合器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201210012013 CN102565955B (zh) | 2012-01-16 | 2012-01-16 | 电可调谐光栅耦合器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102565955A CN102565955A (zh) | 2012-07-11 |
| CN102565955B true CN102565955B (zh) | 2013-03-20 |
Family
ID=46411798
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201210012013 Expired - Fee Related CN102565955B (zh) | 2012-01-16 | 2012-01-16 | 电可调谐光栅耦合器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102565955B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109031534A (zh) * | 2018-08-28 | 2018-12-18 | 中山大学 | 一种热调谐光栅耦合器 |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103869425B (zh) * | 2012-12-17 | 2017-07-07 | 赛恩倍吉科技顾问（深圳）有限公司 | 光耦合装置 |
| US20150117817A1 (en) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | Forelux Inc. | Optical device for redirecting incident electromagnetic wave |
| US9239507B2 (en) * | 2013-10-25 | 2016-01-19 | Forelux Inc. | Grating based optical coupler |
| CN103837937B (zh) * | 2014-03-19 | 2016-06-15 | 清华大学深圳研究生院 | 棱镜-光栅光波导耦合器及光波导设备 |
| WO2015180149A1 (zh) * | 2014-05-30 | 2015-12-03 | 华为技术有限公司 | 电光调制器 |
| EP3091380B1 (en) * | 2015-05-05 | 2021-07-07 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Optical coupling arrangement |
| CN105207057B (zh) * | 2015-10-29 | 2018-01-23 | 中国科学院半导体研究所 | 波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器 |
| CN105372852B (zh) * | 2015-12-21 | 2018-01-02 | 武汉邮电科学研究院 | 集成电光调制器及通过衬底挖空提高其3dB带宽的方法 |
| CN106680932A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-05-17 | 天津工业大学 | Cmos后工艺集成高效率双向光栅耦合器 |
| CN107884876B (zh) * | 2017-12-23 | 2023-09-08 | 长安大学 | 一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片 |
| CN109270626B (zh) * | 2018-11-28 | 2020-05-26 | 南京邮电大学 | 一种基于soi晶片的可调光栅滤波器及制备方法 |
| US11609478B2 (en) * | 2020-06-11 | 2023-03-21 | Hirose Electric Co., Ltd. | Systems and methods for alignment of photonic integrated circuits and printed optical boards |
| US11287719B2 (en) * | 2020-07-07 | 2022-03-29 | Globalfoundries U.S. Inc. | Tunable grating couplers containing a material with a variable refractive index |
| CN111751927B (zh) * | 2020-07-23 | 2021-08-17 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种可调光栅耦合器 |
| CN112201707B (zh) * | 2020-09-21 | 2022-06-24 | 三明学院 | 一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器及其制备方法 |
| CN112946817B (zh) * | 2021-03-05 | 2022-05-10 | 东南大学 | 一种基于亚波长结构的模式阶数转换器 |
| CN113884085B (zh) * | 2021-12-01 | 2022-02-08 | 深圳奥斯诺导航科技有限公司 | 基于SiO2-SiN耦合芯片结构的光纤陀螺用的集成光学芯片 |
| CN113865578B (zh) * | 2021-12-06 | 2022-02-08 | 深圳奥斯诺导航科技有限公司 | 基于SiON起偏器的光纤陀螺用SiN基集成光学芯片 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2325334B (en) * | 1998-07-10 | 1999-04-14 | Bookham Technology Ltd | External cavity laser |
| US8280207B2 (en) * | 2008-11-06 | 2012-10-02 | Luxtera Inc. | Method and system for coupling optical signals into silicon optoelectronic chips |
| CN102484174B (zh) * | 2009-09-25 | 2015-12-16 | 惠普发展公司，有限责任合伙企业 | 硅锗量子阱发光二极管 |
| CN101793998A (zh) * | 2010-03-10 | 2010-08-04 | 中国科学院半导体研究所 | 带有分布布拉格反射镜的波导光栅耦合器及其制作方法 |
| CN102201483B (zh) * | 2011-05-13 | 2012-10-03 | 中国科学院半导体研究所 | 硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法 |
-
2012
- 2012-01-16 CN CN 201210012013 patent/CN102565955B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109031534A (zh) * | 2018-08-28 | 2018-12-18 | 中山大学 | 一种热调谐光栅耦合器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102565955A (zh) | 2012-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102565955B (zh) | 电可调谐光栅耦合器 | |
| CN102540505B (zh) | 基于对称垂直光栅耦合的soi基电光调制器 | |
| Fang et al. | Recent progress in silicon photonics: a review | |
| Reed et al. | Recent breakthroughs in carrier depletion based silicon optical modulators | |
| CN102165346A (zh) | 使用pn二极管进行高速硅光调制的方法和设备 | |
| CN105044931A (zh) | 硅基集成化的差分电光调制器及其制备方法 | |
| CN103226252A (zh) | 一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构 | |
| CN105204113B (zh) | 一种硅基可调偏振旋转器件 | |
| CN103874945B (zh) | 具有多个从波导接收光信号的光传感器的设备 | |
| Xiao et al. | 60 Gbit/s silicon modulators with enhanced electro-optical efficiency | |
| CN103293715A (zh) | 一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器 | |
| CN104317070A (zh) | 具有偏振多样性垂直光纤耦合接口的硅基电光调制器 | |
| CN113534342A (zh) | 一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的非均匀光栅耦合器 | |
| CN203941311U (zh) | 一种可调光学谐振装置 | |
| CN103246088B (zh) | 一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器 | |
| Chen et al. | Progress in complementary metal–oxide–semiconductor silicon photonics and optoelectronic integrated circuits | |
| CN101813834B (zh) | 一种双mos结构硅基电光调制器 | |
| CN105634466B (zh) | 一种soi基结构的电光逻辑门 | |
| CN104393926A (zh) | 一种用于模式复用-波分复用发射模块 | |
| CN113900285B (zh) | 一种工艺不敏感调制器 | |
| CN109361136A (zh) | 一种高速更新微波任意波形的发生系统 | |
| US11686991B1 (en) | Silicon optical modulator, method for making the same | |
| CN108490650A (zh) | 周期性交错波导结构、以及电光调制结构和mzi结构 | |
| CN108508635A (zh) | 基于SiGe材料的电调谐有源波导结构以及应用其的MZI结构 | |
| Karempudi et al. | A silicon nitride microring based high-speed, tuning-efficient, electro-refractive modulator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130320 |