CN103246088B - 一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器 - Google Patents

Abstract

一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，属于集成光学技术领域。输入波导和L型参考臂的一端互相垂直交汇成T字型结构，在交汇处刻蚀填充介质材料的分光微纳沟槽，所述的输入波导的一端作为调制器的光路输入端，另一端作为输出端与L型相移臂的一端相连；所述的L型参考臂和L型相移臂分别构成马赫-曾德尔干涉结构中所需的一条光路；输出波导和L型相移臂互相垂直交汇成T字型结构，在交汇处刻蚀填充介质材料的分光微纳沟槽；输出波导的一端作为调制器的光路输出端，另一端作为输入端与L型参考臂的另一端相连。本发明结构高效紧凑，与传统参考臂或者相移臂长度只能在一维方向级联比较，本发明易于向二维方向扩展集成。

Description

一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器

技术领域

本发明涉及一种用于光通信系统、光网络技术及片上光互连系统的光调制器，特别是涉及采用矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，属于集成光学技术领域。

背景技术

当前移动多媒体、交互式网络电视、视频数据流等信息数据的海量增长对建设城市宽带光纤城域网提出了更高、更快的要求，光调制器是光互连链路中实现高速率传输的关键器件。新一代器件的特征是它们在光域性能的提高和多功能的集成。近几年随着低成本和高性能光芯片的需求，基于光子集成回路(Photonic Integrated Circuits，PIC)的单片光器件逐渐得到业界的广泛关注。目前已成功发展的PIC是基于GaAs、InP化合物半导体衬底，通过金属有机化学气相沉积或分子束外延，结合刻蚀技术来实现集成的二维平面传输系统。光调制器不仅是芯片光互连和光计算技术中的核心部件，而且作为单片光器件也在未来全光交叉互连和光分插复用系统中有着广阔的应用前景。

通常适用于制作光调制器的材料有铌酸锂、硅、III-V族化合物半导体和电光聚合物等。基于集成波导技术的电光调制器在响应速度、器件体积和性能稳定性等方面显示了极高的应用前景，对构成高密度光子集成回路或者片上光互连系统而言具有独特的优势。众所周知马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）是最广泛研究和应用的光强度调制器结构，由一个3dB分束器，两条波导相移臂和一个3dB合束器构成。3dB分束器/合束器通常由定向耦合器、多模干涉耦合器或者Y分支耦合器构成，且相移臂大多由一段长度的直条光波导构成。但是上述结构的光调制器普遍存在占据的单片尺寸较大或者一维方向上尺度仍然较长的问题，至少都是在毫米量级，不利于提高光子回路芯片或者片上光互连系统内分立元件的集成数量。因此在技术上需要实现一种在二维方向占据面积更小的低功耗电光调制器。

发明内容

本发明针对目前马赫-曾德尔型光调制器本身占据的单片尺寸较大或者在一维方向上尺度较长的缺点，提出了一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，可以在二维方向上高度集成，极大地减小了器件尺寸。

本发明所采用的技术方案是：一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，其包括：输入波导1和L型参考臂7的一端互相垂直交汇成T字型结构，在交汇处刻蚀填充介质材料的分光微纳沟槽2，所述的输入波导1的一端作为调制器的光路输入端，另一端作为输出端与L型相移臂4的一端相连；所述的L型参考臂7和L型相移臂4分别构成马赫-曾德尔干涉结构中所需的一条光路；输出波导10和L型相移臂4互相垂直交汇成T字型结构，在交汇处刻蚀填充介质材料的分光微纳沟槽8；输出波导10的一端作为调制器的光路输出端，另一端作为输入端与L型参考臂7的另一端相连。

填充介质材料的分光微纳沟槽2与输入波导1的角度大于输入波导1所用的材料和填充介质材料的分光微纳沟槽2中所填充的介质材料构成的介质界面的全反射角度；填充介质材料的合光微纳沟槽8与输出波导10的角度大于输出波导10所用的材料和填充介质材料的合光微纳沟槽8中所填充的介质材料构成的介质界面的全反射角度。

所述的输入波导1、L型参考臂7的一端和T字型交汇处刻蚀的填充介质材料的分光微纳沟槽2，构成T型波导分束器3；所述的输入波导1作为电光调制器的输入端1a；所述的输出波导10、L型相移臂4的另一端和T字型交汇处刻蚀的填充介质材料的分光微纳沟槽8，构成T型波导合束器9；所述的输出波导10作为电光调制器的输出端10a。

所述的L型参考臂7和L型相移臂4分别在拐角位置刻蚀与光波传播方向成45°角的切面构成全反射镜5；所述的L型参考臂7和L型相移臂4的拐角和全反射镜5构成90°弯曲波导6。

一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器制作在硅、绝缘体上硅（Silicon on insulator，SOI）、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子耦合器替代马赫-曾德尔干涉结构中的分光器/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等。由于沟槽型微纳光子耦合器的平面尺寸和T型交叉波导的面积相当，极大地减小了马赫-曾德尔型光调制器在一维方向上的尺寸，使器件结构更加高效紧凑。二、本发明的马赫-曾德尔型光调制器的参考臂和相移臂是采用了嵌入全反射镜的L型结构。在拐角位置利用刻蚀波导层形成的反射镜面，借助全内反射现象可以在小区域范围内低损耗地实现光场传输方向的90°改变。跟传统参考臂或者相移臂长度只能在一维方向级联比较，L型结构便于器件布局配置易于向二维方向扩展集成。

附图说明

图1是本发明所提出的一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器示意图。

图2是图1沿A-A′方向的纵向剖面示意图。

图3是填充微纳沟槽不同的介质材料实现3dB分束器/合束器所需要的沟槽宽度。

图4是计算机仿真模拟的未施加正向偏压条件下马赫-曾德尔型电光调制器的结果图。

图5是计算机仿真模拟的施加正向偏压条件下马赫-曾德尔型电光调制器的结果图。

图中：1输入波导，1a输入波导端口，2填充介质材料的分光微纳沟槽，3T型波导分束器，4L型相移臂，5全反射镜，690°弯曲波导，7L型参考臂，8填充介质材料的合光微纳沟槽，9T型波导合束器，10输出波导，10a输出波导端口，11金属薄膜阳极电极，12金属薄膜阴极电极，13介质覆盖层，14脊形光波导的横截面，15脊形光波导的重P掺杂区，16脊形光波导的重N掺杂区，17脊形光波导的下包层，18半导体材料基底。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器可以制作在硅、绝缘体上硅（Silicon on insulator，SOI）、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。作为具体实施的一个例子，本发明的矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器在SOI材料上制备。硅材料的电光调制是利用硅的自由载流子等离子色散效应，即硅的折射率和吸收系数随硅中自由载流子浓度的变化的关系。根据R.A.Soref等人利用折射率和光吸收谱的实验结果得出波长在1.55μm时的折射率和吸收系数变化的经验公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δn}={\mathrm{\Δn}}_e+{\mathrm{\Δn}}_h=-[8.8\×{10}^{-22}{\mathrm{\ΔN}}_e+8.5\×{10}^{-18}{\left({\mathrm{\ΔN}}_h\right)}^{0.8}]\\ \mathrm{\Δ\α}={\mathrm{\Δ\α}}_e+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_h=8.5\×{10}^{-18}{\mathrm{\ΔN}}_e+6.0\×{10}^{-18}\mathrm{\ΔN}\end{array}---\left(1\right)\right.$

式中Δn为折射率变化，ΔN为载流子浓度变化，Δα为吸收系数的变化，下标e和h分别代表电子和空穴。载流子浓度的增大能够减小硅的折射率，并同时增大硅的吸收系数，因此光场的强度和相位都随载流子浓度的变化而变化，实现对光场的调制。

在实践中可以在硅上制作p-i-n结构，通过正向注入载流子改变硅的折射率，实现硅的电光调制。但是载流子浓度变化不一定均匀分布，折射率变化也不均匀，所以波导模式的有效折射率变化采用重叠积分计算，

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}^{\left(0\right)}}\·\frac{{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{\Δn}(x,y)\·n_0(x,y){\left|E^{\left(0\right)}(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left|E^{\left(0\right)}(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}---\left(2\right)$

式中|E⁽⁰⁾(x,y)|²为光强分布，n₀(x,y)为折射率分布，是载流子浓度变化时的模式有效折射率。通过合理设计调制区结构，优化光场分布|E⁽⁰⁾(x,y)|²和波导层折射率变化Δn(x,y)的重叠积分，即优化硅基电光调制器的调制效率。波导层的折射率改变Δn_eff将引起调制区传输的光场模式的相位发生变化，使马赫-曾德尔相移臂上产生的相位差如下，

Δφ=2πΔn_eff·L_W/λ   （3）

式中λ是光波的波长，L_W是相移臂相位调制区域的长度。通过相移臂的光波的相位变化为π时，实现调制功能。

参阅图1和图2，本发明提出的一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器。在T型波导交汇处与光波的传播方向成45°角刻蚀分光微纳沟槽2构成沟槽型T型波导分束器3；在T型波导交汇处与光波的传播方向成45°角刻蚀合光微纳沟槽8构成沟槽型T型波导合束器9。所述的T型波导分束器和T型波导合束器的工作原理均是采用光波的受抑全内反射现象，即从输入波导1进入微纳沟槽的光倏逝波与沟槽的宽度相比拟时，一部分倏逝波穿过沟槽到达对面的介质界面而形成穿透光波；另一部分倏逝波通过古斯-汉欣位移现象而形成反射光波。分束器用于将一路输入光信号分为两路，分别耦合到马赫-曾德尔干涉结构的L型相移臂4和L型参考臂7，其静态分光比设计为1:1，即构成3dB分束器。合束器用于将两路输出光信号合为一路，合并马赫-曾德尔干涉结构的L型相移臂4和L型参考臂7的输出光信号进入输出波导10中，其静态合光比设计为1:1，即构成3dB合束器。

参考图2作为具体实施例，本发明采用SOI基亚微米单模脊形波导以及侧向注入的p-i-n二极管结构。参数设为：脊形波导宽度500nm，内脊高340nm，外脊高100nm。图2中的脊形光波导14可以通过半导体器件处理工艺中的反应离子刻蚀方法获得；脊形光波导的下包层17是采用二氧化硅材料，厚度2.0μm；脊形光波导14上面沉积二氧化硅介质材料覆盖层13形成上包层，通过标准光刻掩膜和掺杂工艺分别形成脊形光波导外脊的重P掺杂区15和脊形光波导外脊的重N掺杂区16，掺杂浓度分别为1×10¹⁹cm^-3；沉积金属薄膜阳极电极11和金属薄膜阴极电极12，从而构成带有欧姆接触的p+-i-n+结构。

根据波导模式的平面波近似法计算填充微纳沟槽不同的介质材料时，在等分光比条件下沟槽宽度将会不同。图3所示在TE偏振模式下3dB等分光比时的沟槽宽度与光波导折射率的关系，其中Air，n=1.0;PMMA,n=1.48;SU-8,n=1.57;Sapphire,n=1.75;Zr0₂,n=2.1。在选定某种波导材料的情况下，填充折射率大的介质材料使沟槽开口宽度增大，进而缓解器件加工工艺的难度。对于采用SOI材料制备光波导而言，本发明的沟槽填充介质材料采用了SU-8聚合物，从而实现分束1:1和合束1:1功能时所需要的沟槽开口宽度拓宽为120nm。

为了说明这种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器的工作效果，图4和图5是用美国Rsoft公司的FullWAVE导波光学设计软件给出的计算机仿真模拟的结果，即电压控制实现光强度调制的时域有限差分（FDTD）模拟图。首先计算p-i-n结构在正向偏置下调制区硅波导层自由载流子浓度的变化，然后根据公式（1）、（2）、（3）计算通过马赫-曾德尔结构相移臂的光波相移。结果表明L型相移臂相位调制区域约等于60μm长，施加正向偏压1.5V时，通过相移臂的光波的相位变化为π，从而实现光强度调制。图4和图5分别是相位调制金属薄膜阳极11和阴极12未施加正向电压和施加正向电压两种情况下的光场传输分布的对比图。采用的仿真参数如下：输入光波长1.55μm；介质覆盖层二氧化硅的厚度1.0μm；分光/合光微纳沟槽的开口宽度0.12μm；沟槽填充介质材料SU-8聚合物的折射率是1.57。在本实施例中，从光场分布情况可以看出，未施加正向偏压时，光波从波导输入端口1a进入器件，从波导输出端口10a输出。施加正向偏压1.5V时，光波泄露到器件结构之外未从波导输出端口10a输出，实现了输出端口10a光波的强度调制功能，从而证明本发明设计构思的正确性和有效性。另外，图4和图5中的归一化光功率值是表示波导输入端口1a的输入值和波导输出端口10a的输出值。在本实施例中，保持L型臂总长度60μm不变的情况下，任意调节马赫-曾德尔L型波导臂的垂直部分和水平部分长度，该矩形结构器件的有效面积可以根据需求在60μm²至900μm²之间变化，具备灵活设计和高效紧凑的特点，适用于平面光子集成回路及片上光互连系统。

Claims (4)

1.一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于：输入波导(1)和L型参考臂(7)的一端互相垂直交汇成T字型结构，在交汇处刻蚀填充介质材料的分光微纳沟槽(2)，所述的输入波导(1)的一端作为调制器的光路输入端，另一端作为输出端与L型相移臂(4)的一端相连；所述的L型参考臂(7)和L型相移臂(4)分别构成马赫-曾德尔干涉结构中所需的一条光路；输出波导(10)和L型相移臂(4)互相垂直交汇成T字型结构，在交汇处刻蚀填充介质材料的分光微纳沟槽(8)；输出波导(10)的一端作为调制器的光路输出端，另一端作为输入端与L型参考臂(7)的另一端相连；填充介质材料的分光微纳沟槽(2)与输入波导(1)的角度大于输入波导(1)所用的材料和填充介质材料的分光微纳沟槽(2)中所填充的介质材料构成的介质界面的全反射角度；填充介质材料的合光微纳沟槽(8)与输出波导(10)的角度大于输出波导(10)所用的材料和填充介质材料的合光微纳沟槽(8)中所填充的介质材料构成的介质界面的全反射角度。

2.根据权利要求1所述的一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的输入波导(1)、L型参考臂(7)的一端和T字型交汇处刻蚀的填充介质材料的分光微纳沟槽(2)，构成T型波导分束器(3)；所述的输入波导(1)作为电光调制器的输入端(1a)；所述的输出波导(10)、L型相移臂(4)的另一端和T字型交汇处刻蚀的填充介质材料的分光微纳沟槽(8)，构成T型波导合束器(9)；所述的输出波导(10)作为电光调制器的输出端(10a)。

3.根据权利要求1所述的一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的L型参考臂(7)和L型相移臂(4)分别在拐角位置刻蚀与光波传播方向成45°角的切面构成全反射镜(5)；所述的L型参考臂(7)和L型相移臂(4)的拐角和全反射镜(5)构成90°弯曲波导(6)。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于：其制作在硅、绝缘体上硅、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。