CN105634466B - 一种soi基结构的电光逻辑门 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SOI基结构的电光逻辑门，包括基于SOI材料制作的直波导和钩型波导，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区、第一半环波导、S‑Bend、第二偶合区和第二半环波导，S‑Bend为中心对称结构，第一耦合区和第二耦合区在一条直线上，第一半环波导和第二半环波导均为1/2圆环，且第一半环波导和第二半环波导的环口正对；钩型波导位于直波导的一侧，且钩型波导的第一耦合区和第二耦合区与直波导相平行。本发明提供的SOI基结构的电光逻辑门，在完成耦合的同时能够实现高速调制，快速完成模拟电信号到数字光信号的转换，实现超快电光逻辑门操作，可以在高速通信网络中获得应用。

Description

一种SOI基结构的电光逻辑门
技术领域
本发明涉及一种硅基光子学及芯片级光互联技术，尤其涉及一种新型SOI基结构的电光逻辑门。
背景技术
随着互联网的日益膨胀和信息技术的不断进步，对于信息处理速度的要求也在不断增长。尽管全光信息处理系统的运算速度要远远高于电子系统，但目前的数字通信系统还没有深入光学领域。但在现有基于电子技术的通信网中，网络的各个节点要完成光－电－光的转换，其中的电子器件受限于器件工作上限速率40Gb/s，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理。由于现阶段真正的全光网络尚无法实现，光电转换效率就成为了高速网络的关键。随着通信系统发展对于高速要求的不断提高，硅材料以其独特的含量高、易集成、可与CMOS兼容的优势受到了强烈的关注。光通信领域中可以利用硅材料的特点实现低损耗、高性能、高速的光连接用以克服微电子芯片集成过程中越来越多的电学连接所带来的限制：比如RC延迟，信号变形等问题。
光子的传播速度是3×108米/秒，是电子传播速度的500倍，因而光子计算机具有超高的运算速度，使光子计算机的计算速度达1023/秒，在技术上可实现1012～1015次/秒的计算速度和100Gb/s的传输能力。
受光网络发展需求的推动，SOI材料近年来在光电子领域中的应用发展极为迅速。基于SOI材料制作集成光波导器件具有基于其他传统光学材料的光子器件所无法比拟的技术优势，具体包括以下几点：1、与标准硅基CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)工艺完全兼容，制备工艺成熟、方便而且价格低廉；2、可以在SOI上同时制作有源器件和无源器件，便于实现单片光电混合集成(OEIC)；3、由于光波导芯层Si(n＝3.45)和包层Si02(n＝1.46)的折射率差很大，波导具有很强的光学限制作用，波导的尺寸和弯曲半径可以做得很小，因此基于SOI的光子集成芯片有很小的芯片尺寸和很高的集成度，而且能够实现三维的大规模集成；4、器件的损耗很小，模式特性和偏振特性很好，而且传输带宽很大；5、器件的导热性能好，高频特性明显优于Si02材料；6、用于全光互连的光子回路的运算速度将比目前的电子回路快约104倍。
硅作为光学材料，具有很强的载流子色散效应，通过利用载流子色散效应，改变折射率分布和吸收系数，可以实现对光波的调制或切换，继而实现作为光通信系统和光网络中关键器件的光调制器和光开关等，进而实现逻辑门操作。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型SOI基结构的电光逻辑门，其具有耦合调制功能一体化、传输损耗低、响应速率快、低压等潜在的特性和优点，另外其制作工艺与COMS工艺兼容。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种SOI基结构的电光逻辑门，包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导和钩型波导两部分，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区、第一半环波导、S-Bend、第二耦合区和第二半环波导，S-Bend为中心对称结构，第一耦合区和第二耦合区在一条直线上，第一半环波导和第二半环波导均为1/2圆环，且第一半环波导和第二半环波导的环口正对；钩型波导位于直波导的一侧，且钩型波导的第一耦合区和第二耦合区与直波导相平行；
所述第一耦合区和第二耦合区的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P-I-N结构，在第一耦合区和第二耦合区上方各设置有一个共面波导电极，共面波导电极与电学结构形成电学接触，通过共面波导电极向第一耦合区和第二耦合区加载模拟电信号；
所述直波导的一端作为电光逻辑门与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波，直波导的另一端作为电光逻辑门的第一输出端，用于实现逻辑门功能；第二半环波导的末端作为电光逻辑门的第二输出端，用于实现耦合信号的单独输出。
优选的，所述第一半环波导的半径小于第二半环波导的半径，以便于通过辅助输出波导延伸第二输出端。
优选的，根据第一耦合区和第二耦合区的长度，第一半环波导和第二半环波导的半径，在第一半环波导和S-Bend之间设置一段辅助直波导，辅助直波导的两端通过端面对端面方式分别与第一半环波导和S-Bend连接；通过辅助直波导能够保证钩型波导为规则的几何形状，在保证结构的美观性同时，简化结构的整体分析。
优选的，所述第一耦合区的末端通过端面对端面的方式连接有一段弯曲波导，弯曲波导的末端远离直波导；弯曲波导的设计能够防止第一耦合区的末端散出去的能量对直波导产生影响。
优选的，所述第二半环波导的末端通过端面对端面的方式连接有一段辅助输出波导，通过辅助输出波导延伸第二输出端；辅助输出波导的设计能够使第一输出端和第二输出端在同一平面上，方便外接信号；同时结合第一半环波导和第一半环波导的半径设计，可以让辅助输出波导远离钩型波导，避免钩型波导与辅助输出波导之间的相互影响，同时也避免弯曲波导末端散出去的能量对辅助输出波导产生影响。
本发明的最大特征在于采用了A/D转换的方式，将模拟电信号转换为数字光信号输出，具体实现过程为：两个偶合区采用P-I-N结构，利用SOI的载流子色散效应，通过改变加载在两个偶合区的模拟电信号的强度，可以改变耦合区中载流子浓度，由于载流子的色散效应，引起耦合区折射率的变化(即引起耦合器的耦合效率的变化)，输入光波通过直波导对应位置时会产生相应的相位变化，当达到相位匹配的情况时，光能就从直波导耦合到耦合器，我们对第一输出端输出的光能进行检测，就能间接知道耦合效率的大小，将对光波的相位调制转换成对光能的强度调制。本发明可以分别对两个偶合区的模拟电信号进行控制，能够在第一输出端实现逻辑门功能，还能够在第二输出端实现耦合信号的单独输出，通过对模拟电信号的调制，可以控制第二输出端输出的能量大小。
有益效果：本发明提供的SOI基结构的电光逻辑门，钩型波导的设计有效减小了这个器件的面积；该器件在完成耦合的同时能够实现高速调制，快速完成模拟电信号到数字光信号的转换，实现超快电光逻辑门操作，可以在高速通信网络中获得应用。
附图说明
图1为本发明的平面示意图；
图2为本发明中耦合区的剖面结构示意图；
图3为实施例要实现的或非逻辑门的示意图；
图4为实施例的逻辑功能仿真效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明是基于SOI材料设计的硅基电光逻辑门，为了达到最佳设计效果，对单模脊型波导的尺寸要求也根据设计目的而有所不同；本案对单模脊型波导的尺寸设计如下：顶层Si厚度为340nm，SiO2厚度为2um。
如图1所示，为一种SOI基结构的电光逻辑门，包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导1和钩型波导两部分，钩型波导位于直波导1的一侧；所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的弯曲波导6、第一耦合区3-1、第一半环波导2-1、辅助直波导5、S-Bend4、第二耦合区3-2、第二半环波导2-2和辅助输出波导 7。
所述弯曲波导6的末端远离直波导1；第一耦合区3-1和第二耦合区3-2在一条直线上，第一耦合区3-1和第二耦合区3-2与直波导1相平行；第一半环波导2-1和第二半环波导2-2均为1/2圆环，第一半环波导2-1的半径小于第二半环波导2-2的半径，且第一半环波导2-1和第二半环波导2-2的环口正对；S-Bend4为中心对称结构；弯曲波导6作为第一耦合区3-1末端的延伸，辅助输出波导7作为第二半环波导2-2末端的延伸；辅助直波导5的长度根据第一耦合区3-1和第二耦合区3-2的长度、第一半环波导2-1和第二半环波导2-2的半径进行设计。
如图2所示，所述第一偶合区3-1(称为B耦合区)和第二偶合区3-2(称为A耦合区)的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P-I-N结构，在第一耦合区3-1和第二耦合区3-2上方各设置有一个共面波导电极8，共面波导电极8与电学结构形成电学接触，通过共面波导电极8向第一耦合区3-1和第二耦合区3-2加载模拟电信号；基于载流子色散效应原理，通过模拟电信号调制，可以改变耦合区中载流子浓度，引起耦合区折射率的变化(即引起耦合器的耦合效率的变化)，最终将对光波的相位调制转换为对光能的强度调制。
本案中，所述直波导1的一端作为电光逻辑门与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波，直波导1的另一端作为电光逻辑门的第一输出端，用于实现与非门的逻辑功能；第二半环波导2-2的末端作为电光逻辑门的第二输出端，用于实现耦合信号的单独输出。
图2所示为耦合区的截面图，耦合区采用正向P-I-N结构，通过共面波导电极8加电在单模脊型波导中注入电流，改变其载流子浓度，从而改变本征区I的有效折射率，使光相位受到调制。用来形成欧姆接触的中掺杂区P+、N+位于单模脊型波导的两侧，在中间脊波导处形成PN结，通过在单模脊型波导上方的SiO2钝化层刻蚀接触孔，使电学结构与共面波导电极8相连接。为尽量减小传输损耗，使光场束缚在波导中，对波导中电学结构的参数设计如下：顶层硅厚340nm，平板厚80nm，脊波导宽度400nm，掺杂区距离脊波导距离Dop需要考虑到实际的工艺条件。
图3和表1分别是本案的电光逻辑门结构所要实现的或非逻辑功能以及对应的真值表，我们分别对两个耦合区的共面波导电极8进行加电控制：只有在A耦合区和B耦合区全都是处于低电平的时候，端口OUT-1才会有输出；当A耦合区和B耦合区有任意一个处于高电平的时候，OUT-1端口都不会有输出。
表1本案的电光逻辑门对应的真值表
A B OUT-1
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
单模脊型波导保证了光信号的单模传输，输入光波通过直波导1传输到耦合区，通过模拟扫描，可以分别得到耦合区的长度和耦合区与直波导之间的耦合间距与耦合效率之间的关系曲线，在保证耦合效率最高的情况下，我们要尽量缩短耦合区的长度，即可以缩短共面波导电极8的长度，以便减少模拟电信号的反射与衰减。经上述分析可知，为了获得高的耦合效率，我们需要对如下参数进行设计：耦合长度L、耦合间距D和刻蚀深度d。
图4为本案的逻辑功能仿真效果图，(a)表示A耦合区的电信号输入，、(b)表示B耦合区的电信号输入，这里我们均采用数字型高低电平信号，(c)表示逻辑端的数字输出，从图中可以看出，只有A耦合区和B耦合区都为低电平输入时，输出端才会输出逻辑“1”；若A耦合区和B耦合区有一个高电平，则输出端输出逻辑“0”。
本案的最大特征在于采用了A/D转换的方式，将模拟电信号转换为数字光信号输出，具体实现过程为：两个耦合区采用P-I-N结构，利用SOI的载流子色散效应，通过改变加载在两个耦合区的模拟电信号的强度，可以改变耦合区中载流子浓度，引起耦合区折射率的变化，进而控制耦合区的耦合效率，从而将对光波的相位调制转换成对光能强度调制。
本案的优势在于：1、在OUT-1端口实现或非的逻辑门操作基础上，还可以对OUT-2端口进行单独输出，且在OUT-2端口单独输出时，能够使其输出能量可控，即还可作为电光调制器。2、采用S-Bend以及半环，一是为了构成回路，二是为了减小器件尺寸，而且由于SOI对光的强限制性，可以最大限度的降低弯曲损耗。3、我们采用了了仅供单模传输的脊型波导，可近似实现绝热无损的光能量传输，并通过模拟计算出耦合间距和耦合长度，在实现最佳耦合效率基础上，尽量减小耦合长度，即减小电极长度，最大限度避免点反射带来的电压衰减。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导(1)和钩型波导两部分，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区(3-1)、第一半环波导(2-1)、S-Bend(4)、第二耦合区(3-2)和第二半环波导(2-2)，S-Bend(4)为S型中心对称结构，第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)在一条直线上，第一半环波导(2-1)和第二半环波导(2-2)均为1/2圆环，且第一半环波导(2-1)和第二半环波导(2-2)的环口正对；钩型波导位于直波导(1)的一侧，且钩型波导的第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)与直波导(1)相平行；
所述第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P-I-N结构，在第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)上方各设置有一个共面波导电极(8)，共面波导电极(8)与电学结构形成电学接触，通过共面波导电极(8)向第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)加载模拟电信号；
所述直波导(1)的一端作为电光逻辑门与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波，直波导(1)的另一端作为电光逻辑门的第一输出端，用于实现逻辑门功能；第二半环波导(2-2)的末端作为电光逻辑门的第二输出端，用于实现耦合信号的单独输出。
2.根据权利要求1所述的SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：所述第一半环波导(2-1)的半径小于第二半环波导(2-2)的半径。
3.根据权利要求1所述的SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：根据第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)的长度，第一半环波导(2-1)和第二半环波导(2-2)的半径，在第一半环波导(2-1)和S-Bend(4)之间设置一段辅助直波导(5)，辅助直波导(5)的两端通过端面对端面方式分别与第一半环波导(2-1)和S-Bend(4)连接。
4.根据权利要求1所述的SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：所述第一耦合区(3-1)的末端通过端面对端面的方式连接有一段弯曲波导(6)，弯曲波导(6)的末端远离直波导(1)。
5.根据权利要求1所述的SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：所述第二半环波导(2-2)的末端通过端面对端面的方式连接有一段辅助输出波导(7)，通过辅助输出波导(7)延伸第二输出端。
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