CN104280899A - 基于微环谐振腔的硅基热光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种基于微环谐振腔的硅基热光调制器，包括硅衬底和二氧化硅下包层，二氧化硅下包层设置在硅衬底上，二氧化硅下包层上设置有两个直波导和—个环形波导，两个直波导分别作为接收入射光的主信道波导和输出出射光的下信道波导，环形波导置于两个直波导之间，并与两个直波导之间填充聚合物，两侧聚合物表面均覆盖有热电极。本发明在微环谐振腔的主信道波导与环形波导以及环形波导与下信道波导之间填充聚合物，并且在聚合物上分别覆盖热电极，通过控制两个热电极电压，改变聚合物材料的折射率，从而改变光在直波导到环形波导之间的光程，使谐振波长发生漂移，实现对光信号的调制，具有结构简单、易制作、调制效率高的特点。

Description

基于微环谐振腔的硅基热光调制器
技术领域
本发明涉及一种基于微环谐振腔的硅基热光调制器，属于调制器制备技术领域。
背景技术
硅基芯片作为超大规模集成电路的基本组成部分，在现代电子工业发展中一直占据主导地位。随着高性能计算要求的提高及数据中心互连密度的上升，铜线作为传统互连媒介从带宽、损耗以及抗干扰等方面越来越显现出其局限性。为打破这种极限，光互连被认为是一种有前途的解决方案。硅基光子集成器件由于可利用现有标准半导体制造工艺较为廉价地制备并方便与微电子芯片集成，成为实现光互连的首要候选，具有巨大发展前景。
美国Bell实验室的Marcatili在1969年提出了微环的概念与结构。目前微环己经成为光电子集成技术中的最重要的器件之一，光微环谐振器具有尺寸小、成本低、结构紧凑、低损耗、良好的波长选择性等优点，因而具有广泛的应用，如滤波、波分复用、光开关、调制等。
有机聚合物材料成本低廉，制作工艺简单，是极佳的功能材料，多年来的开发和研究，使得人们对有机聚合物材料的许多特性有了深入的了解，可以根据需要，提出相应的材料特性要求(如吸收谱特性、电光特性、热光特性等)，再进行合成，聚合物材料具有较高的热光系数在-1×10-4～-3×10-4/℃之间，比二氧化硅材料大一个数量级，并且其导热系数较小，适合制作热光器件。
目前硅基微环热光调制器主要是通过聚合物的热光效应改变环形波导(芯层)折射率(参见图1)或者改变上包层折射率(参见图2)而改变谐振波长，实现调制，但是这些方法结构和制备都比较复杂，且调制效率不高。
发明内容
本发明针对现有热光调制器存在的不足，提供一种结构简单、调制效率高的基于微环谐振腔的硅基热光调制器，属于一种新型的热光调制器。
本发明的基于微环谐振腔的硅基热光调制器，采用以下技术方案：
该硅基热光调制器，包括硅衬底和二氧化硅下包层，二氧化硅下包层设置在硅衬底上，二氧化硅下包层上设置有两个直波导和—个环形波导，两个直波导分别作为接收入射光的主信道波导和输出出射光的下信道波导，环形波导置于两个直波导之间，并与两个直波导之间填充聚合物，两侧聚合物表面均覆盖有热电极。
所述直波导和环形波导的材料均为硅，硅折射率较大，对光场有很强的限制作用。
所述直波导和环形波导之间的最小距离为100纳米。
通过在基本的微环结构的两个直波导与环形波导之间填充聚合物材料，分别在聚合物材料表面覆盖热电极，由于热电极具有一定的电阻，产生的电流导致的热效应会引起聚合物材料的局部温度发生变化，并通过热光效应改变聚合物材料的折射率，从而改变光在直波导到环形波导之间的光程，使谐振波长发生漂移，从而实现对光信号的调制。入射光经过主信道波导耦合进该环形波导，再经过该环形波导耦合进下信道波导并输出。
本发明与目前常见的热光调制器的调制原理不同，在微环谐振腔的主信道波导与环形波导以及环形波导与下信道波导之间填充聚合物，并且在聚合物上分别覆盖热电极，通过控制两个热电极电压，改变聚合物材料的折射率，从而改变光在直波导到环形波导之间的光程，使谐振波长发生漂移，实现对光信号的调制，与传统调制器相比具有结构简单、容易制备、调制效率高等优点。
附图说明
图1为现有聚合物热光调制器通过改变环形波导(芯层)折射率进行调制的方法示意图。
图2为现有聚合物热光调制器通过改变上包层折射率进行调制的方法示意图。
图3为本发明基于硅基微环谐振腔的新型热光调制器的结构示意图。
图4为本发明的横截面示意图。
图5为热光聚合物聚酰亚胺的折射率随温度的变化图。
图6为光程随有效折射率变化图。
图7为两相邻谐振级次的谐振波长随直波导和环形波导之间光程的变化图。
图8为单侧电极加电压情况下，电压变化时的下信道输出光谱图。
图9为两侧电极加电压情况下，电压变化时的下信道输出光谱图。
具体实施方式
如图3和图4所示，本发明的基于微环谐振腔的硅基热光调制器，包括：
(1)—个硅衬底，硅材料成本低、工艺成熟、适合作为聚合物光电器件的衬底，并且硅是集成电路中应用最广泛的材料，采用硅衬底有利于实现光电集成。
(2)—个二氧化硅下包层，设置于硅衬底之上。由于硅和二氧化硅之间折射率差很大，硅波导对光场有很强的限制作用。
(3)两个直波导，设置于二氧化硅下包层之上，分别为主信道波导和下信道波导，其材料均为硅，相当于纤芯，硅折射率较大，对光场有很强的限制作用。两个直波导的横截面尺寸为宽450纳米，高220纳米。
(4)—个环形波导，设置于二氧化硅下包层之上，并置于两个直波导之间，环形波导与直波导之间最小距离为100nm。与直波导近距离放置，使得入射光经过主信道波导耦合进该环形波导，再经过该环形波导耦合进下信道波导并输出。环形波导与两个直波导之间填充聚合物，聚合物材料成本低廉，热光系数dn/dT为-1×10-4～-3×10-4/℃，比二氧化硅大一个数量级，并且其导热系数较小，适合制作热光器件。
(5)两个热电极，分别覆盖在环形波导与两个直波导之间的聚合物表面。由于热电极具有一定的电阻，产生的电流导致的热效应会引起聚合物材料的局部温度发生变化，并通过热光效应改变聚合物材料的折射率，改变光在直波导到环形波导之间的光程，使谐振波长发生漂移，从而实现对光信号的调制。两侧电极都加电压，可以提高调制效率。
图5给出了一种常见热光聚合物聚酰亚胺的折射率随温度的变化，可以看到随着温度增大，聚合物折射率变小，从而使直波导与环形波导之间的有效光程变小。采用热光系数更大的聚合物材料可以产生更大的折射率变化。
图6给出了光程随有效折射率变化，可见光程随直波导和环形波导之间聚合物材料的有效折射率增大而增大，因此我们改变聚合物材料的有效折射率可以改变光程。
图7给出了两相邻谐振级次的谐振波长随直波导和环形波导之间光程的变化，可以看出谐振波长随直波导和环形波导之间光程增大而增大，光程增到到一定程度(0.2um)后，谐振波长几乎不再随光程增大而变化，即谐振波长趋于稳定。并且此谐振波长与下一谐振级次的光程较小时候的谐振波长几乎一致，即频率偏移达到一个自由光谱范围(FSR)。因此，通过选择合适的热光聚合物，调节热电极电压，可以达到一个FSR的频谱偏移。
图8给出了单侧电极加电压情况下，电压变化时的下信道输出光谱图，可以看出，随着电压的增大，谐振波长变小。因为电压增大时，根据图5所示的聚合物的折射率随温度的变化图，温度(电压)增大时聚合物折射率减小，直波导与环形波导之间光程也减小，从而使谐振波长变小，与图7所示规律相同。
图9给出了两侧电极加电压情况下，电压变化时的下信道输出光谱，可以看出，随着电压的增大，谐振波长也变小。但是变化范围比单侧加电压时更大，因此可以提高调制效率。
本发明正是基于图5、图6、图7、图8和图9的仿真结果，在微环谐振腔的主信道波导与环形波导以及环形波导与下信道波导之间填充聚合物，并且在聚合物上分别覆盖热电极，通过控制两个热电极电压，改变聚合物材料的折射率，从而改变光在直波导到环形波导之间的光程，使谐振波长发生漂移，实现对光信号的调制。而且两热电极电压可以不相等，也就对应于图8所示的情况，此时只调节一个热电极电压，也可使谐振波长发生改变。同时调节两个热电极电压可以提高调制效率，使频率偏移达到一个自由光谱范围(FSR)。

Claims (3)

1.一种基于微环谐振腔的硅基热光调制器，包括硅衬底和二氧化硅下包层，二氧化硅下包层设置在硅衬底上，其特征是，二氧化硅下包层上设置有两个直波导和—个环形波导，两个直波导分别作为用于接收入射光的主信道波导和输出出射光的下信道波导，环形波导置于两个直波导之间，并与两个直波导之间填充聚合物，两侧聚合物表面均覆盖有热电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振腔的硅基热光调制器，其特征是，所述直波导和环形波导的材料均为硅。
3.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振腔的硅基热光调制器，其特征是，所述直波导和环形波导之间的最小距离为100纳米。
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