CN105954892B - 一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器 - Google Patents

一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SOI的Si‑PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，包括硅矩形平板直波导和硅矩形平板环形波导，硅矩形平板直波导和硅矩形平板环形波导相耦合，硅矩形平板直波导作为该混合型电光环形调制器的直通端，硅矩形平板环形波导作为该混合型电光环形调制器的谐振环；硅矩形平板直波导和硅矩形平板环形波导通过一个PLZT矩形通道完全包覆住，形成Si‑PLZT混合型结构；在环形波导部分的内外两侧设置有一对半包裹型的弯曲共面行波电极对，通过弯曲共面行波电极对该混合型电光环形调制器进行加电调制，使PLZT矩形通道的折射率发生变化。本发明具有调制灵敏度高、器件尺寸小、可靠性好以及调制带宽大等特性。

Description

一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器
技术领域
本发明涉及一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，属于硅基异质结电光调制器的集成及光通信技术。
背景技术
随着光网络通信的发展，人们希望通过改善光通信技术来提高器件的工作特性，并且降低相应的工艺难度和制作成本。作为光通信技术的核心器件，光波导调制器的研制逐渐趋于小型化，低功耗，低插损，快响应等。另一方面，正在建立和完善中的全光网络迫切的需求稳定且具有多种功能的集成光波导器件。综合考虑这些因素，波导环形调制器是目前的最佳解决方案之一。
由于结构与工艺比较简单，且尺寸小、容差率高，所以波导环形调制器常常被用于进行大规模的单片集成。但是，目前所普遍采用的介质型波导环形调制器的整体尺寸偏大，电极结构复杂，且工作稳定性差。尤其是基于热光特性的聚合物及SiO2型波导环形调制器，其响应速率慢，功耗大等缺点非常明显。因此这种类型的波导环形调制器在光通信网络中的应用受到了很大的限制。近几年来，随着电光、半导体、相变等材料在集成光子领域的应用，基于波导环形谐振腔的各种类型调制器也得到了长足的发展。在这些器件中，由于电光类波导环形调制器具有响应速率快，插损小，易于集成等特点，从而获得了极大的关注。
近几年来，越来越多的研究人员开始转向于混合材料的波导调制器的研制。通过这种方法可以将不同材料所具备的特性结合起来，从而提高器件的整体性能并达到‘扬长避短’的效果。基于硅材料与电光类材料相结合的波导环形调制器是当前混合型波导调制器研究的主流方向之一。一方面，人们可以利用硅材料折射率高这一特点，将波导的尺寸进一步缩小，从而保证器件的小型化；另一方面，电光材料的响应速率快，且对光的透射率也很高，可以使器件获得低插入损耗、高调制频率等特性。为了简化集成工艺，并使得硅与电光材料进行有效的结合，SOI基片成为制作此类器件的最佳平台。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，在保证器件的整体集成度比较高的前提下，将PLZT薄膜与硅波导结合形成异质结结构的混合波导，从而达到小尺寸、大带宽、快速响应的设计目的。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，包括制作在SOI基片顶层硅表面上的硅矩形平板直波导和硅矩形平板环形波导，硅矩形平板直波导和硅矩形平板环形波导相耦合，硅矩形平板直波导作为该混合型电光环形调制器的直通端，硅矩形平板环形波导作为该混合型电光环形调制器的谐振环；硅矩形平板直波导和硅矩形平板环形波导通过一个PLZT矩形通道完全包覆住，形成Si-PLZT混合型波导；将Si-PLZT混合型波导分为直波导和环形波导两部分，在环形波导部分的内外两侧设置有一对半包裹型的弯曲共面行波电极对，通过弯曲共面行波电极对该混合型电光环形调制器进行加电调制，使PLZT矩形通道的折射率发生变化，从而改变硅矩形平板环形波导内光波的相位。
本发明以硅矩形平板波导作为Si-PLZT混合型波导的芯层，PLZT矩形通道作为Si-PLZT混合型波导的包层；通过硅矩形平板波导束缚传输的光场，硅矩形平板直波导用于光信号的输入与输出，硅矩形平板环形波导用于耦合输入的的光信号并产生一定的相位差；通过PLZT矩形通道对外界施加的电场产生电光响应，从而发生折射率改变，影响传输光波的相位；外界施加的电场通过一对弯曲共面行波电极施加在PLZT矩形通道上。
本发明由于采用以硅矩形平板波导作为Si-PLZT混合型波导的芯层对光场进行束缚，其结构尺寸要接近微纳级别的同类型硅波导器件，而在与PLZT矩形通道形成异质结结构之后，Si-PLZT混合型波导同时具备了电光调制的特性，从而使高度集成化与高速响应有效地结合在了一起。
具体的，将内侧的弯曲共面行波电极称为内环共面行波电极，将外侧的弯曲共面行波电极称为外环共面行波电极，内环共面行波电极覆盖PLZT矩形通道内侧面和顶面内侧区域，外环共面行波电极覆盖PLZT矩形通道外侧面和顶面外侧区域，内环共面行波电极和外环共面行波电极之间存在间隙。
本发明结构的相位调制是通过对环形波导进行加电，使PLZT矩形通道的折射率发生改变，从而达到相位调制的目的，调制电极是由半包裹型的弯曲共面行波电极组成，因为弯曲共面行波电极与PLZT矩形通道直接接触且两个PLZT矩形通道之间相距较近，所以电场分布比较均匀，调制效率较高。
优选的，所述弯曲共面行波电极为180°的半环结构。
有益效果：本发明提供的基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，与现有技术相比，具有如下优势：在保证环形调制器集成度较高的情况下，将硅矩形波导与PLZT材料在SOI基片上进行有效、合理的集成，从而达到小尺寸、大带宽、快响应速率的器件设计目的。现有的普通介质型波导电光环形调制器设计制作方案中，金属电极通常与波导芯层的相距较远，虽然有利于避免金属对光的吸收，降低器件的整体插损，但由于分压的影响，从而造成在波导中电场分布不均匀且强度较弱，导致加电调制效率下降。而本发明为了达到提高调制效率、缩短响应时间的效果，采用半包裹型的弯曲共面行波电极，其完全覆盖住Si-PLZT混合型波导的侧壁，并且部分覆盖在Si-PLZT混合型波导的顶部，电极之间的间距大大缩短。由于直接与PLZT矩形通道接触，材料分压所造成的影响被很大的削弱了，并且电场在波导中的分布也十分的均匀。本发明的Si-PLZT混合型波导，PLZT矩形通道直接覆盖并包裹住硅矩形平板波导作为包层，由此可以保证大部分传输模场束缚在PLZT材料中。本发明在实现尺寸小型化的同时，保证了电光调制的效率。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图；
图2为本发明的三维立体结构示意图；
图3为本发明中的包含电极部分的Si-PLZT混合型波导截面示意图；
图4为本发明在不同的外部驱动电压下对TE模场的输出示意图；
图5为本发明射频振幅与频率的关系示意图；
图中包括：硅矩形平板直波导1、硅矩形平板环形波导2、PLZT矩形通道3、内环共面行波电极4、外环共面行波电极5、SOI基片顶层硅6、SOI基片SiO2缓冲层7、SOI基片底层硅8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，包括直波导、环形波导、半包裹型的弯曲共面行波电极和PLZT矩形通道。整个器件位于PLZT薄膜层之上，芯片的衬底为SOI基片。直波导与环形波导均是由硅矩形平板波导构成，两者之间存在一定的缝隙，PLZT矩形通道完全覆盖且包裹住硅矩形波导作为包层材料；一对共面行波电极则分别位于环形波导的内外两侧作为正负极进行加电，电极的材料为金，其中电极的总体宽度大约3μm，高度为1μm，并部分覆盖在PLZT矩形通道顶部。
本发明是基于SOI衬底和PLZT电光薄膜材料设计的电光环形调制器，对于不同的缓冲层及顶层硅厚度和PLZT薄膜材料的组分，为了保证器件的性能设计的要求也有所不同，在此为了统一叙述，本发明的基片材料参数为：缓冲层SiO2厚度1.7μm，顶层硅厚度100nm，PLZT的各元素组分为92/8/65/35(Pb/La/Zr/Ti)。
如图1和图2所示，为本发明的一种具体实施结构，包括制作在SOI基片顶层硅6表面上的硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2，硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2相耦合，硅矩形平板直波导1作为该混合型电光环形调制器的直通端，硅矩形平板环形波导2作为该混合型电光环形调制器的谐振环；硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2通过一个PLZT矩形通道3完全包覆住，形成Si-PLZT混合型波导；将Si-PLZT混合型波导分为直波导和环形波导两部分，在环形波导部分的内外两侧设置有一对半包裹型的弯曲共面行波电极对；将内侧的弯曲共面行波电极称为内环共面行波电极4，将外侧的弯曲共面行波电极称为外环共面行波电极5，内环共面行波电极4覆盖PLZT矩形通道3内侧面和顶面内侧区域，外环共面行波电极5覆盖PLZT矩形通道3外侧面和顶面外侧区域，内环共面行波电极4和外环共面行波电极5之间存在间隙；通过内环共面行波电极4和外环共面行波电极5对该混合型电光环形调制器进行加电调制，使PLZT矩形通道3的折射率发生变化，从而改变硅矩形平板环形波导2内光波的相位。
该案结构中，由硅矩形平板直波导1、硅矩形平板环形波导2、PLZT矩形通道3、内环共面行波电极4和外环共面行波电极5共同构成的结构为对称结构，总体长度是微米量级，硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2之间的间隙为32nm，而PLZT矩形通道3作为包层完全覆盖硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2，内环共面行波电极4和外环共面行波电极5除了与PLZT矩形通道3的侧面相接触外，还有一部分延伸至PLZT矩形通道3顶面，延伸的宽度约为135μm，PLZT矩形通道3的高度为400nm，宽度为1.7μm，硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2的顶面距离SOI基片顶层硅6表面的高度约为100nm。
硅矩形平板直波导1、硅矩形平板环形波导2和PLZT矩形通道3可以通过外延生长、气相沉积、电子束及紫外光刻、等离子刻蚀等分步加工的方式制作在SOI的顶层硅6表面，制作过程可以为：在SOI的顶层硅6表面上外延生长一层100nm厚的PLZT薄膜，再通过气相沉积将厚度为100nm的硅沉积在PLZT薄膜上，通过电子束光刻和刻蚀制作出硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2，再在制作好的硅矩形平板直波导1和硅矩形平板环形波导2上覆盖并外延生长一层300nm厚的PLZT薄膜，经过紫外光刻和等离子刻蚀将其制作成PLZT矩形通道3，整个制作工艺与目前IBM32nm的CMOS加工工艺相兼容。
为了缩小整个器件的尺寸并提高集成度，采用硅矩形平板波导作为Si-PLZT混合型波导的芯层，而由于硅的折射率比较大，因此可以有效地将光场束缚在PLZT矩形通道3中。束缚在PLZT矩形通道3中的TE及TM模场的能量比例均高达70％以上，这有利于提高器件的电调制效率。而为了达到相位调制的目的，通过在环形波导部分的内外两侧设置一对半包裹型的弯曲共面行波电极，使得PLZT矩形通道3与外界电源相连，由此产生的电场会均匀的分布于PLZT矩形通道3中从而改变PLZT材料的折射率。随着包层材料的折射率发生改变，使得Si-PLZT混合型波导中传输的光场有效折射率Neff发生变化，从而改变了硅矩形平板环形波导2中光波的相位。因为一对包裹型的弯曲共面行波电极与PLZT矩形通道3的侧壁直接接触，并且有一部分覆盖在其顶部，所以空气层及其他材料分压的影响非常小，使得加电效率得到了很大的提升。同时，相对于电极的尺寸，Si-PLZT混合型波导的结构很小，不会对微波信号造成太大的损耗，从而提高了器件的调制带宽。
本案结构采用的是商用的SOI基片衬底，制作出的混合型电光环形调制器的具体参数如表1所示。
表1结构参数
通过PLZT材料的极化张量矩阵来分析Si-PLZT混合型波导在外部电场作用下时PLZT矩形通道3的折射率所发生的变化，用3×3矩阵其可以表示为：
式中：εij以及分别表示PLZT矩形通道3在加电及未加电时的相对介电常数分量，而是由电压引起的静电场分量，γij则表示PLZT(8/65/35)薄膜的一阶电光系数张量，且γ13＝γ23＝γ33≈45pm/V，γ42＝γ51≈8pm/V；i,j＝x,y,z。
再利用传输矩阵法进一步分析混合型电光环形调制器的输出情况，Si-PLZT混合型波导由硅矩形平板直波导1、硅矩形平板环形波导2和PLZT矩形通道3构成，在输出端的输出功率可以表示为：
式中，Eout，Ein，Ering分别表示在谐振腔达到平衡状态时输出、输入以及圆环中光波的振幅。α是内损耗因子，用于描述光波在环形波导中传输时的损耗；|t|是用于描述环形波导与直波导之间的耦合效率；Lcircle是环形波导的周长，而βrel是Si-PLZT混合型波导中模场的有效折射率实部。
对于常规的硅基或者PLZT环形波导调制器，电极的制作往往远离芯层。对于本发明提供的基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，由于采用半包裹型的共面行波电极，其直接与PLZT包层的侧壁以及部分上表面相接触，所以在同样的电压下，本发明的波导结构中的电场要大于其他常规的环形波导调制器，并且电场的分布也十分均匀。除此之外，PLZT矩形通道完全包裹住了硅矩形平板波导，保证大部分的传输模场均位于PLZT包层中，进一步提高了器件对传输光波的调制效率，在不同的外加电压下其对TE模场的输出光功率如图4所示。且由于Si-PLZT异质结结构的混合型波导尺寸很小，因此波导材料所引起的微波损耗不大，本发明射频调制信号的振幅与输入频率之间关系如图5所示。
如图4和图5所示，当输入光波长范围在1545nm—1555nm之内时，共振波长调制效率dλ/dV可以达到25pm/V，已经接近同类型的电光聚合物波导环形调制器，且集成度要高得多。并且，如果输入的工作波长为1550.22nm，当外部驱动电压为20V时可以获得的消光比高达32dB。由此可以证明，本发明在满足调制效率高的同时还可以保证良好的消光比。而通过对该结构下所传输的微波信号的输出与反射进行分析后发现，当射频的频率达到14GHz时，本发明的射频输出信号振幅下降到初始状态的一半，因此该器件的调制带宽大约为14GHz。本发明的基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器可以获得大消光比、低驱动电压等特性，适用于高频大带宽调制。图4中，Wavelength表示波长，Transmission表示输出光功率；图5中，Frequency表示频率，RF magnitude表示射频信号强度。
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 (3)

1.一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，包括制作在SOI基片顶层硅(6)表面上的硅矩形平板直波导(1)和硅矩形平板环形波导(2)，硅矩形平板直波导(1)和硅矩形平板环形波导(2)相耦合，硅矩形平板直波导(1)作为该混合型电光环形调制器的直通端，硅矩形平板环形波导(2)作为该混合型电光环形调制器的谐振环；其特征在于：硅矩形平板直波导(1)和硅矩形平板环形波导(2)通过一个PLZT矩形通道(3)完全包覆住，形成Si-PLZT混合型波导；将Si-PLZT混合型波导分为直波导和环形波导两部分，在环形波导部分的内外两侧设置有一对半包裹型的弯曲共面行波电极对，通过弯曲共面行波电极对该混合型电光环形调制器进行加电调制，使PLZT矩形通道(3)的折射率发生变化，从而改变硅矩形平板环形波导(2)内光波的相位。
2.根据权利要求1所述的基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，其特征在于：将内侧的弯曲共面行波电极称为内环共面行波电极(4)，将外侧的弯曲共面行波电极称为外环共面行波电极(5)，内环共面行波电极(4)覆盖PLZT矩形通道(3)内侧面和顶面内侧区域，外环共面行波电极(5)覆盖PLZT矩形通道(3)外侧面和顶面外侧区域，内环共面行波电极(4)和外环共面行波电极(5)之间存在间隙。
3.根据权利要求1所述的基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器，其特征在于：所述弯曲共面行波电极为180°的半环结构。
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