CN104991399A - 一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构 - Google Patents

Abstract

一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，包括微型谐振腔和光敏电阻，光敏电阻是p-i-p或者n-i-n结构，适用于多种谐振腔结构，所述光敏电阻集成于腔内，在外部电源通电注入电流后，利用光敏电阻固有的电流热效应，将电能转换为部分热能，热量集中产生在波导芯区，直接作用于光场，与固有微腔结构相比，本发明增强了微腔谐振热光非线性效应，使微腔折射率调节幅度与光功率强度呈正相关，从而降低热双稳态的阈值，也大大降低了对器件工艺加工的要求，在光通信、光存储和集成光学中都具有广泛的应用前景。

Description

一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构

技术领域

本发明涉及一种用光敏电阻反馈来降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，利用光敏电阻作为微腔加热器，使微腔折射率调节幅度与光功率强度呈正相关，从而增强谐振热光非线性效应，降低双稳态的光功率阈值，属于集成光电子学领域。

背景技术

光学双稳态(optical bistability,OB)是非线性光学与光电子学交叉领域内一个重要的研究课题，它表示一光学系统在给定输入光强下，存在两种不同稳定输出状态的现象，亦可描述为输出和输入光强曲线之间呈现磁滞回线关系。这种独特的光学性质可以实现多种全光信号处理功能，如逻辑单元、转换开关、存储元件等，在光通信、光存储和集成光学中具有广泛的应用前景(参见H.Gibbs,Optical Bistability Controlling Light With Light(Academic,1985).)。

光学双稳态系统需同时满足两个必要条件：具有非线性光学介质和反馈机制。早在上个世纪七十年代末就有学者提出在半导体中实现光学双稳态，H.M.Gibbs等人在Applied Physics Letters上发表的论文“Optical bistability insemiconductors”中提出基于III-V族材料GaAs，利用F-P共振腔结构，增强光致激子吸收效应，改变材料折射率，引起吸收峰的漂移，实现了色散型光学双稳态(参见Gibbs H M,McCall S L,Venkatesan T N C,et al.Optical bistability insemiconductors[J].Applied Physics Letters,1979,35(6):451-453)。然而用III-V族材料制作器件成本高，维护费用昂贵；相对而言，硅材料由于其与空气和二氧化硅之间的高折射率差，具有很强的光场限制能力，可用于制作亚微米级光波导器件；更重要的是硅基光子器件与成熟的CMOS集成电路工艺兼容，具有低制备成本、易大规模集成的特点，是未来光器件发展的必然趋势。

近年来，基于硅材料的无源及有源集成光电器件被广泛提出并实现，如光滤波器、光分路器、光调制器等。同时，作为光存储和光信号处理运算中的重要器件，光学双稳器件(optical bistability device,OBD)也不断被报道。目前，国内外众多科研机构已成功设计出多种硅基微腔结构(如微环、微盘、光子晶体等)，利用微腔作为反馈机制，增强光与物质的作用强度，提高硅材料微弱的非线性，来实现光学双稳态。Michal Lipson等人首次提出了紧凑的硅基微环结构，利用其极强的光场限制能力，通过热光效应实现了低功耗的热光双稳态(参见Almeida V R,Lipson M.Optical bistability on a silicon chip[J].Optics letters,2004,29(20):2387-2389)。之后，该团队在原有的实验和理论基础上，使用类似的微环结构，通过等离子色散效应，在改变输入激光泵浦条件下，实现了响应时间更短的光学双稳态(参见Xu Q,Lipson M.Carrier-induced optical bistability insilicon ring resonators[J].Optics letters,2006,31(3):341-343)。但是在该实验中，对输入脉冲激光器的脉宽有严格限定，同时需要依赖高速调制器，以使得等离子色散效应抑制热光效应，因而其测试系统较为复杂。

而相对微环谐振腔结构，光子晶体谐振腔结构具有模式体积小和品质因子高的特性，当在光子晶体中引入缺陷，设计耦合腔，会产生局域场增强效应，实现完美的光学双稳态(参见Dharanipathy U P,Minkov M,Tonin M,et al.High-Qsilicon photonic crystal cavity for enhanced optical nonlinearities[J].Applied PhysicsLetters,2014,105(10):101101)。但是受限于当前的工艺精度要求，实际制备的光子晶体尺寸与设计存在一定误差，因而无法稳定批量生产，使其实际应用受限。

另一方面，最近陆梁军等人提出的用p-i-p电阻加热硅基微环结构，并实现了光学非互易性传输。此结构简单、系统功耗较小，并且响应时间较短(参见Lu L,Zhou L,Li X,et al.Enhanced Nonlinear Thermo-optic Effect in SiliconMicroring Resonators with pip Microheaters for Non-reciprocalTransmission[C]//Optical Fiber Communication Conference.Optical Society ofAmerica,2014:Th2A.27)。

基于上述结论，我们考虑采用一种在谐振腔内集成光敏电阻进行反馈调节的硅基热光双稳态结构，以获得更低的双稳态光功率阈值。这种方法有别于传统的通过提高微腔Q值来降低阈值的方法，大大降低了对器件加工的要求。

发明内容

本发明是基于现有的硅基光子学理论和成熟的制备工艺基础，针对上述问题和现有技术的不足，提出的一种在谐振腔内集成光敏电阻用于反馈调节的硅基热光双稳态结构，利用光敏电阻作为微腔加热器，增强谐振热光非线性效率，使其折射率调节幅度与光功率强度呈正相关，从而降低热光双稳态的光功率阈值。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特点在于，包括：

微型谐振腔，用于提供光学双稳态所需的光反馈回路；

光敏电阻嵌于所述的微型谐振腔内，利用它在恒定电压源或电流源下所产生的热量对光功率的敏感性，来增强实现光学双稳态所需的硅波导热光非线性效应。

所述的微型谐振腔为微环、微盘、光子晶体或法布里-珀罗谐振腔。

所述的微型谐振腔的核心材料为高折射的硅材料，上包层和下包层的材料为低折射率材料。

所述的高折射的硅材料为单晶硅、多晶硅或无定型硅，所述的低折射率材料为二氧化硅、氮化硅或聚合物。

所述的光敏电阻集成于微型谐振腔内，由本征或轻掺杂硅材料构成，光敏电阻两侧为重掺杂区，和金属形成欧姆接触。

优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、微环波导层、上包层和电极层，所述的微环波导层为脊型结构，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，内脊区即微环波导芯区为本征i区，其两侧的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。

优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、微盘波导层、上包层和电极层，所述的微盘波导层为脊型结构，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，微盘边缘的内脊区为本征i区，微盘中心的内脊区及微盘以外的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构；

优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的波导层为在直波导的输入输出端同时嵌有周期性光栅的脊型结构，以构成法布里-珀罗微型谐振腔，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，在FP腔内部，内脊区也即直波导芯区为本征i区，其两侧外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。

优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的波导层为带有缺陷的二维周期性排布的微孔结构，微孔的周期常数和线缺陷区宽度满足光单模传输条件，在线缺陷区的一侧，存在的点缺陷区为本征i区，其两侧微孔结构的无缺陷区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。

在电阻上加上一定强度的电压，根据欧姆定律，当电流流经电阻，波导层作为热电阻产生热量，波导芯区温度升高，由于热光效应，波导折射率随之增大，微腔的谐振谱向长波长移动，当所加偏压进一步加大，逐渐出现非对称的谐振特性；另外，重掺杂区的电阻率远低于波导区，所以热量主要产生于波导区，这样能直接作用于模场，进一步降低系统功耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)利用微腔内集成的光敏电阻来增强热光非线性效应，外接直流电源通电后，热效应致使波导层芯区温度升高。

2)与传统微腔结构相比，在同等输入光功率条件下，热光效应被进一步放大，波导芯层的折射率调节幅度也随之进一步增大。

3)相对于传统只依赖提高微腔Q值来降低光功率阈值的方法，本发明通过电能转换为热能，增强微腔热光非线性，来减少输入光功率的阈值，降低系统调节功耗，大大降低了对器件工艺加工的要求。

附图说明

图1为集成了光敏电阻的不同微腔结构示意图，其中(a)为集成光敏电阻的微环结构示意图，(b)为集成光敏电阻的微盘结构示意图，(c)为集成光敏电阻的FP腔结构示意图,(d)为集成光敏电阻的光子晶体微腔结构示意图。

图2为本发明其中一种用p-i-p型光敏电阻加热的硅基微环折射率热光调节结构示意图

图3为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构电流与电压关系图

图4为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构加电稳定后的温度分布图

图5为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构调节功耗与硅波导有效折射率关系图

图6为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构实现的光学双稳态输出与输入光强间的磁滞回线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1所示为各种不同微腔结构内集成光敏电阻的结构示意图，结合其中一种特殊的用p-i-p型光敏电阻集成的硅基微环折射率热光调节结构，如图2所示，对本发明的具体实施方案作出解释。光敏电阻集成于微腔内，由本征或轻掺杂硅材料构成，电阻两侧为重掺杂区，以和金属形成欧姆接触；集成光敏电阻的硅基微环结构(图1(a))，其所述的微环波导层为脊型结构，脊型波导内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，内脊区即微环波导芯区为本征i区，其两侧的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。集成光敏电阻的硅基微盘结构(图1(b))，其所述的微盘波导层为脊型结构，脊型波导内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，微盘边缘的内脊区为本征i区，微盘中心的内脊区及微盘以外的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。集成光敏电阻的法布里-珀罗谐振腔结构(图1(c))，其所述的直波导层为脊型结构，脊型波导内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，在FP腔内部，内脊区也即直波导芯区为本征i区，其两侧外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。集成光敏电阻的光子晶体微腔结构(图1(d))，其所述的波导层为带有缺陷的二维周期性排布的微孔结构，微孔的周期常数和线缺陷区宽度满足光单模传输条件，在线缺陷区的一侧，存在的点缺陷区为本征i区，其两侧微孔结构的无缺陷区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。

图2为本发明其中一种用p-i-p型光敏电阻加热的硅基微环折射率热光调节结构示意图，如图2所示，采用硅材料，包括：

一衬底1；

一下包层2，制作在衬底1上；下包层2的厚度大于1um；该下包层材料折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用；

一波导层3，制作在下包层2上；波导层的厚度小于1um；该波导层材料折射率高于下包层2和上包层；波导层为脊型结构，其中脊型波导脊的宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件；脊型区即波导芯区为轻掺杂的本征i区6，两侧平板分别为重掺杂区7；重掺杂区可以是p型掺杂或n型掺杂，分别形成p-i-p或n-i-n热电阻结构；轻掺杂浓度小于10¹⁷cm^-3，重掺杂浓度大于10¹⁸cm^-3；重掺杂区7边缘与波导芯区边缘相隔距离大于0.2um；

一上包层4，制作在波导层3上；上包层4的厚度大于0.5um；该上包层的材料可采用二氧化硅、氮化硅等介质材料，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8；该通孔连接波导层两侧重掺杂区7和电极层5；通孔8的材料为铝、铜、金等高导电性的金属材料；通孔8宽度小于重掺杂区7的宽度。

一电极层5，制作在上包层4上；电极层的厚度大于100nm；电极层5分别位于两侧通孔8之上，与外部电源的正极和负极相连；该电极层的材料为铝、铜、金等高导电性的金属材料。

在电阻上加上一定强度的电压，根据欧姆定律，当电流流经电阻，波导层作为热电阻产生热量，波导芯区温度升高，由于热光效应，波导折射率随之增大，微腔的谐振谱向长波长移动，当所加偏压进一步加大，逐渐出现非对称的谐振特性；另外，重掺杂区的电阻率远低于波导区，所以热量主要产生于波导区，这样能直接作用于模场，进一步降低系统功耗。

本发明电极与外部电源连接，通电后由通孔注入电流，其中电流与电压关系如图3所示。可以发现，本发明的热电阻不同于一般的金属热电阻，电流不随电压线性变化；当电压增大到一定值后，本发明电阻值会变小。图4为本发明新型硅波导折射率热光调节结构加一定电压稳定后的温度分布图。由图中可以看到，由于热量主要产生于本征i区6，所以本征i区6的温度最高，可见热源与光场直接作用。图5为本发明新型硅波导折射率热光调节结构中有效折射率随热功耗的关系图，可以看到两者呈线性关系，随着加热功耗增大，有效折射率也随之增大。图6为本发明电极与外部电源连接，加一定电压下输出与输入光强的关系曲线，从图中可以看到本实施例能实现较低阈值下的光学双稳态。

实施例

图2中下包层2厚度为2um；波导层3脊的宽度为500nm，内脊高为220nm，外脊高为60nm；上包层4厚度为1.5um。重掺杂区7为p型掺杂，宽度为4um，掺杂浓度10²⁰cm^-3；轻掺杂本征i区6掺杂浓度10¹⁵cm^-3；重掺杂区7边缘与波导芯区边缘间隔300nm；通孔宽度1um；形成p-i-p热电阻结构。此p-i-p热电阻结构电压与电流关系如图3所示，电压增加到～9.5V后，电阻随电压升高不断减少。当外加电压4V时，稳定后此结构温度分布图如图4所示，热量主要产生于本征i区6，该区域温度最高，可见热源直接作用于光场。此p-i-p热电阻硅波导折射率热光调节结构有效折射率与功耗关系如图5所示；可以看到本发明的热电阻对硅波导有效折射率的调节效率为3.25e^-5m/W，大于传统的热电阻调节效率，因此本发明的热光调节结构功耗更低。

基于此发明结构的上述优点，在外接9.8V电压下，将入射光波长设置在1545.25nm，该波长稍大于最小入射光强下微环的谐振波长；缓慢增大入射光功率得到一组输出光的值，而后反向减小入射光功率，记录输出光强的值，得到在两种情况下，输出与输入光能量的关系曲线，如图6所示。从图6中可以看出，利用p-i-p电阻反馈的新型硅波导折射率热光调节结构能实现阈值更低的热光双稳态。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，包括：

微型谐振腔，用于提供光学双稳态所需的光反馈回路；

光敏电阻嵌于所述的微型谐振腔内，利用它在恒定电压源或电流源下所产生的热量对光功率的敏感性，来增强实现光学双稳态所需的硅波导热光非线性效应。

2.根据权利要求1所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，所述的微型谐振腔为微环、微盘、光子晶体或法布里-珀罗谐振腔。

3.根据权利要求1或2所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，所述的微型谐振腔的核心材料为高折射的硅材料，上包层和下包层的材料为低折射率材料。

4.根据权利要求3所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，所述的高折射的硅材料为单晶硅、多晶硅或无定型硅，所述的低折射率材料为二氧化硅、氮化硅或聚合物。

5.根据权利要求1所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，所述的光敏电阻集成于微型谐振腔内，由本征或轻掺杂硅材料构成，光敏电阻两侧为重掺杂区，和金属形成欧姆接触。

6.根据权利要求1所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，包括由下至上的衬底、下包层、微环波导层、上包层和电极层，所述的微环波导层为脊型结构，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，内脊区即微环波导芯区为本征i区，其两侧的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n 光敏电阻结构。

7.根据权利要求1所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，包括由下至上的衬底、下包层、微盘波导层、上包层和电极层，所述的微盘波导层为脊型结构，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，微盘边缘的内脊区为本征i区，微盘中心的内脊区及微盘以外的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。

8.根据权利要求1所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，包括由下至上的衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的波导层为在直波导的输入输出端同时嵌有周期性光栅的脊型结构，以构成法布里-珀罗微型谐振腔，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，在FP腔内部，内脊区也即直波导芯区为本征i区，其两侧外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。

9.根据权利要求1所述的利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特征在于，包括由下至上的衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的波导层为带有缺陷的二维周期性排布的微孔结构，微孔的周期常数和线缺陷区宽度满足光单模传输条件，在线缺陷区的一侧，存在的点缺陷区为本征i区，其两侧微孔结构的无缺陷区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是p型或者n型，形成p-i-p或n-i-n光敏电阻结构。