CN104155719A - 动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构 - Google Patents
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Abstract
一种动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，包括由下至上依次连接的衬底、限制层、波导层、上包层和电极层；所述的波导层采用脊型结构，由内脊中间的硅波导、两旁的硅锯齿与上包层缝隙相间形成啁啾波导光栅，在该啁啾波导光栅的两侧为重掺杂区域，重掺杂区域的边缘和啁啾波导光栅的边缘的间距沿啁啾波导光栅长度方向呈一定的函数关系。本发明通过注入电流使得重掺杂区域产生热量，利用不同位置处硅基啁啾波导光栅边缘与重掺杂区域边缘距离不同的特性，使得啁啾波导光栅加热不均匀，产生一个额外的温度梯度量，通过改变该温度梯度量的大小来改变啁啾波导光栅的总啁啾量，具有结构简单、调节方便以及与微电子集成电路工艺完全兼容等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过引进可调温度啁啾量来动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，属于集成光电子学领域。
背景技术
在高速光通信网络中,光纤的群速度色散会限制传输信号的最大比特率和传输距离，比如在没有色散补偿的情况下，10Gb/s的非归零码(NRZ)信号最长的传输距离不能超过60公里。因此，高速光通信网络中需要对长距离传输信号进行群速度色散补偿。由于啁啾光纤光栅具有结构紧凑和损耗低等优势，是目前光通信系统最广泛采用的色散补偿器。由于高速光信号在光通信系统中的传输距离会存在变化或距离一定时，光纤的外部温度和机械应力存在波动，导致高速光信号的群速度色散值不是一个恒定值，因此啁啾光纤光栅的群速度色散补偿量也应该可调。啁啾光纤光栅的色散补偿量取决于其啁啾量，改变啁啾光纤光栅的啁啾量，即可改变其群速度色散补偿量。在啁啾光纤光栅中，常用方法是沿着啁啾光纤光栅长度方向引进一个应力梯度或者温度梯度，通过改变引进的应力啁啾或者温度啁啾来改变啁啾光纤光栅的啁啾量。
近几年，集成光电技术发展迅速，器件尺寸越来越小，芯片集成度越来越高。绝缘体上硅材料由于波导层与外包层的高折射率差，具有很强的光束缚能力，易于制作亚微米级的低损耗光波导；且加工工艺与微电子集成电路工艺兼容，便于实现光电混合集成，使之成为光电集成芯片最具竞争力的材料之一。许多基于绝缘体上硅波导无源及有源集成光电器件已经被提出并实现，如光开关、光分路器、光调制器和光延迟线等，也包括集成啁啾波导光栅。如德国Ivano Giuntoni等人在2011年的ECOC(欧洲光通信会议)上发表论文“Integrated Dispersion Compensator Based on SOI Tapered Gratings”实现了硅基集成的啁啾波导光栅，其色散补偿值达到了500ps/nm；同样是Ivano Giuntoni等人在2013年PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS上发表论文“Integrated Dispersion Compensator Based on Apodized SOI Bragg Gratings”，通过在2011年提出的啁啾波导光栅上进行变迹优化，对30Gbaud的DQPSK信号进行色散补偿达到480ps/nm。但是上述的啁啾波导光栅的色散补偿值均为固定值，不能实现群速度色散补偿量的动态可调，因此会限制其在很多场景中的应用。
对于如何实现硅基啁啾波导光栅色散补偿量的动态可调，经对现有的技术文献检索发现，目前相关的研究很少，仅BJ Eggleton等人在2001年经美国专利局授权的专利“Optical grating devices with adjustablechirp”中提到在集成的波导光栅旁边加入一个电阻值沿着波导光栅位置变化的热电阻，该热电阻可以是薄膜或者其他结构。当热电阻上通入电流后，热电阻会产生热量。由于热电阻的电阻值随着波导光栅的位置而变化，因此不同位置处的热电阻发热量不一样，从而不同位置处的波导光栅升高温度不一样，引进一个温度啁啾。改变注入的电流值可以动态调节温度啁啾量，从而调节波导光栅啁啾量。这种方法需要在啁啾波导光栅旁设计一个电阻值沿着波导光栅变化的薄膜或者其他结构，因此工艺难度较高。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，可应用于可调色散补偿和带宽可调滤波器等领域。它通过设计不同位置处的硅基啁啾波导光栅与集成热电阻热源的距离不同，在热电阻产生热量相同的情况下，导致不同位置处硅基啁啾波导光栅升高温度不同，从而在硅基波导光栅上引进一个温度啁啾，改变原有硅基波导光栅的啁啾量；通过调节注入热电阻的电流值，能够动态地调节引进的温度啁啾量，动态地调节硅基波导光栅的总啁啾量，该发明具有结构简单、调节方便以及与微电子集成电路工艺完全兼容等优势。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特点在于，包括由下至上依次连接的衬底、限制层、波导层、上包层和电极层；
所述的波导层采用脊型结构，其中，内脊宽度、内脊高度和外脊高度均满足光单模传输条件，由内脊中间的硅波导、两旁的硅锯齿与上包层缝隙相间形成啁啾波导光栅，在该啁啾波导光栅的两侧为重掺杂区域，重掺杂区域的边缘和啁啾波导光栅的边缘的间距沿啁啾波导光栅长度方向呈一定的函数关系；
在所述的上包层内设有通孔，该通孔的一端与所述的重掺杂区域相连，另一端淀积电极形成电极层，用以与外部电源的正极和负极相连。
通过改变光栅周期或者光栅波导的宽度(包括中间硅波导和硅锯齿)来形成啁啾波导光栅。
所述的衬底和波导层的材料为高折射率材料硅，限制层和上包层的材料为二氧化硅，通孔和电极层的材料为高导电性金属材料铝，所述的波导层的折射率分别高于所述的上包层和限制层的折射率。
所述的通孔的孔径小于所述的重掺杂区域的宽度。
所述的啁啾光栅的宽度或者周期会沿着啁啾光栅长度方向发生变化。
所述的重掺杂区域掺杂浓度和重掺杂区域的宽度是一个恒定值，重掺杂浓度在1019～1021cm-3之间，重掺杂区域的宽度在1μm～20μm之间。
所述的重掺杂区域的边缘和啁啾波导光栅的边缘的间距沿啁啾波导光栅长度方向呈一定的函数关系，该函数关系是线性增加、线性减少、抛物线或高斯函数，其最小间距大于等于500nm。
所述的限制层的厚度大于0.5μm，波导层的厚度为30nm～2μm，上包层的厚度为0.5～3μm，电极层的厚度为100nm～5μm。
当外部电源通电后，电极通过通孔将电流注入到重掺杂区域，此时重掺杂区域相当于热电阻，产生热量，产生的热量通过热传导的方式传到旁边的啁啾波导光栅，导致啁啾波导光栅的温度升高。由于硅材料的热光效应，光栅波导的折射率将随着温度的升高而升高。而不同位置处的波导光栅与集成热电阻的距离不均匀，因此不同位置处波导光栅的温度升高不均匀，产生一个额外的温度啁啾量。通过改变注入的电流值，使得热电阻产生的热量值改变，调节额外的温度啁啾量。
本发明的有益效果是利用波导层的重掺杂区域作为热电阻，其注入电流后产生的热量使得啁啾波导光栅的温度升高；由于重掺杂区域边缘和脊型光栅波导边缘的距离不是一个常数，而是沿啁啾波导光栅长度方向呈一定的函数关系(如线性减少)，因此不同位置处的啁啾波导光栅的温度升高量不同。除了光栅自身结构引进的啁啾量外，还会产生一个额外的温度啁啾量，改变啁啾波导光栅的总啁啾量。通过改变注入电流的大小，改变额外的温度啁啾量，实现啁啾波导光栅啁啾量的动态可调。
附图说明
图1为本发明动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构示意图。
图2为本发明动态调节硅基波导光栅啁啾量的横截面示意图。
图3为注入一定电流值后本发明波导层的温度分布图。
图4为本发明在注入不同电流值时，啁啾波导光栅中心处温度沿波导光栅纵向位置的变化图。
图5为本发明在注入不同电流值时的反射谱线图。
图6为本发明注入不同电流值时的延迟谱线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1和图2分别为本发明动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构示意图和横截面示意图。如图1和2所示，一种动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，包括由下至上依次连接的衬底1、限制层2、波导层3、上包层4和电极层8。
一限制层2，该限制层制作在衬底1上；限制层2的厚度大于0.5μm；该限制层为SOI硅的限制层，其折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用。
一波导层3，该波导层制作在限制层2上；波导层3的厚度在30nm～2μm之间；该波导层为SOI硅的波导层，其折射率高于限制层2和上包层；波导层3为脊型结构，其中脊型波导内脊的宽度W、内脊的高度H和外脊高度h满足光单模传输条件；在内脊结构中，中间为硅波导，旁边采用硅锯齿和上包层的二氧化硅缝隙相间的方式来形成光栅；光栅通过改变光栅周期或者光栅波导的宽度(包括硅波导和硅锯齿)来形成啁啾波导光栅6；重掺杂区域7位于啁啾波导光栅的两侧，重掺杂区域的浓度和宽度是一个恒定值，掺杂浓度在1019～1021cm-3之间，宽度在1μm～20μm之间，重掺杂区域边缘和啁啾波导光栅边缘的距离(d)沿波导光栅长度方向呈一定的函数关系(不是一个常数，可以是线性增加、线性减少、抛物线、高斯函数等)，最小的距离不短于500nm。
一上包层4，该上包层制作在波导层3上；上包层4的厚度为0.5～3μm；该上包层的折射率低于波导层3，对波导层3中的光起限制作用，同时对波导起保护作用，并使之易于制作电极；上包层4中制作有通孔5；该通孔连接重掺杂区域7和电极层8；通孔5的材料为高导电率的金属材料；通孔5的孔径不大于重掺杂7的宽度。
一电极层8，该电极层制作在上包层4上；电极层8的厚度为100nm～5μm；电极层8分别位于通孔5之上，与外部电源的正极和负极相连；电极8的材料为高导电性的金属材料。
本发明电极与外部电源相连，通电后通过通孔注入电流；由于重掺杂区域的电阻值远小于其他未掺杂区域，所以电流将经重掺杂区域传导，此时重掺杂区域的硅波导层相当于一个热电阻，通电后产生热量，产生的热量将通过热传导的方式传导至啁啾波导光栅，使得波导光栅的温度升高。由于沿波导光栅长度方向热传导横向距离有变化(如图1，线性减少)，所以不同光栅位置处升高的温度会有所差异。图3为注入一定电流后本发明硅基波导层的温度分布图，随着重掺杂区域和波导光栅距离的减少，波导光栅区域的温度逐渐升高，引进一个温度啁啾量。图4为本发明注入不同电流值时，啁啾波导光栅的中心温度沿波导长度方向的变化情况：随着注入电流的增加，波导光栅中心处的温度沿长度的变化越来越显著，也就是说，温度啁啾量越来越大，因此本发明可以通过调节注入电流值来改变啁啾波导光栅温度啁啾量。图5为本发明在注入不同电流时的反射谱线，随着注入电流的增加，本发明的反射谱宽逐渐增加，可用于带宽可调的光学滤波器。图6为本发明在注入不同电流时啁啾波导光栅的延迟谱线，随着电流值的增加，本发明延迟谱线的斜率即群速度色散值逐渐减少，可用作硅基集成可调色散补偿器。
实施例
图1中衬底层厚度为5μm，限制层2厚度为2μm；波导层3脊的内脊高为220nm，外脊高为60nm，啁啾波导光栅的硅波导的宽度为590nm，旁边锯齿的宽度从0nm线性增加到5nm，光栅的总长度为2000μm；上包层4厚度为2μm；重掺杂区域7的宽度为10μm，掺杂浓度1020cm-3，重掺杂区域边缘与啁啾波导光栅边缘的距离从初始端的8μm线性减少到末尾端的0.6μm。图4曲线给出了该实施例在注入不同电流值时，啁啾波导光栅的中心温度沿长度的变化情况，随着注入电流从0mA增加到10mA，啁啾波导光栅的末尾端和初始端的温度差从0℃增加至29℃。由于末尾段和初始端的温度差的增加，啁啾波导光栅的温度啁啾量也相应地增加，由于温度啁啾量和波导光栅宽度变化引入的光栅啁啾量符号相同，因此波导光栅总啁啾量随着注入电流的增加而增加。图5为注入不同电流时的该实施例啁啾波导光栅的反射谱线，随着注入电流从0mA增加至10mA，该实施例的3dB反射带宽从3.3nm增加到5.86nm；图6为注入不同电流时啁啾波导光栅的延迟谱线，随着注入电流从0mA增加至10mA，在波长为1548.5nm-1550nm的范围内，该实施例的色散值从11.67ps/nm调节至6.67ps/nm。因此本发明可以用来当作硅基集成的可调带宽光学滤波器和可调色散补偿器等。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式和实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，包括由下至上依次连接的衬底(1)、限制层(2)、波导层(3)、上包层(4)和电极层(8)；
所述的波导层(3)采用脊型结构，其中，内脊宽度、内脊高度和外脊高度均满足光单模传输条件，由内脊中间的硅波导、两旁的硅锯齿与上包层缝隙相间形成啁啾波导光栅(6)，在该啁啾波导光栅(6)的两侧为重掺杂区域(7)，重掺杂区域的边缘和啁啾波导光栅的边缘的间距沿啁啾波导光栅长度方向呈一定的函数关系；
在所述的上包层(4)内设有通孔(5)，该通孔(5)的一端与所述的重掺杂区域(7)相连，另一端淀积电极形成电极层(8)，用以与外部电源的正极和负极相连。
2.根据权利要求1所述的动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，所述的衬底和波导层的材料为高折射率材料硅，限制层和上包层的材料为二氧化硅，通孔和电极层的材料为高导电性金属材料铝，所述的波导层的折射率分别高于所述的上包层(4)和限制层(2)的折射率。
3.根据权利要求1所述的动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，所述的通孔(5)的孔径小于所述的重掺杂区域(7)的宽度。
4.根据权利要求1所述的动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，所述的啁啾光栅的宽度或者周期会沿着啁啾光栅长度方向发生变化。
5.根据权利要求1所述的动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，所述的重掺杂区域掺杂浓度和重掺杂区域的宽度是一个恒定值，重掺杂浓度在1019～1021cm-3之间，重掺杂区域的宽度在1μm～20μm之间。
6.根据权利要求1所述的动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，所述的重掺杂区域的边缘和啁啾波导光栅的边缘的间距沿啁啾波导光栅长度方向呈一定的函数关系，该函数关系是线性增加、线性减少、抛物线或高斯函数，其最小间距大于等于500nm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的动态调节硅基波导光栅啁啾量的结构，其特征在于，所述的限制层(2)的厚度大于0.5μm，波导层(3)的厚度为30nm～2μm，上包层(4)的厚度为0.5～3μm，电极层(8)的厚度为100nm～5μm。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN112556906A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-03-26 | 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 | 一种测量薄膜不同方向应力梯度的方法 |
| CN113541799A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-10-22 | 浙江大学 | 一种数模结合式级联可调硅基色散补偿器件 |
| WO2023048652A3 (en) * | 2021-09-27 | 2023-05-19 | Singapore University Of Technology And Design | Optical device and method for forming the same |
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