CN108054632A - 具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法 - Google Patents

具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法。包括单模输入波导、调制部分、功能复用部分和反馈控制单元。输入光信号由单模输入波导进入，与具有调制部分和功能复用部分的微环谐振器耦合连接，在调制部分进行调制，经功能复用部分执行光电探测功能时转化为光电流，进入反馈控制单元；反馈信号回到功能复用部分，执行加热功能时对该部分进行加热，完成波长锁定。本发明将微环调制器、光电探测器、加热器集成在同一微环上，完成光电探测器、加热器功能的复用，实现在一定温度范围内对波长的锁定，其器件制作流程与微环调制器制作流程相同，不需要额外工艺制作过程，降低了成本，且具有良好的CMOS工艺兼容性，可大规模集成。

Description

具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法
技术领域
本发明涉及波长锁定方法，特别是涉及一种具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法。
背景技术
21世纪以来，集成光学器件特别是硅基集成光电子器件的发展十分迅速，各种新型的光学器件与结构不断被报道出来。采用硅作为材料的硅基光学器件能够与现有非常成熟的CMOS工艺相结合，生产成本低，性能可靠性高，并且能够与电路系统相结合，形成多功能的光电混合模块和系统，能够在通信、传感、军事、生物等众多领域得到广泛地应用，具有非常光明的前景。
在光互连领域，基于微环谐振器的器件由于其尺寸较小，对于光集成的两个重要限制因素物理封装和能耗，都能提供帮助，所以被认为可以用来解决光互连的带宽瓶颈问题。微环调制器是微环器件中一个重要的应用，而载流子耗尽型的微环调制器在微环调制器中能够获得最高的调制速度，故而得到广泛的应用。然而，由于高热光系数和微环本身的谐振特性，基于微环的器件非常容易受到热干扰的影响，输出波长很容易漂移，且每次工艺制作出来的谐振腔的谐振波长不一定能完美谐振在设定的波长处，所以波长锁定是必须之举，以便能够及时调整微环调制器的工作状态。在波长锁定的方案中，需要有光电探测器，对光功率进行监测，以及加热器，用来对微环谐振波长进行调节。近年来，有不少研究将光电探测器和微环调制器集成在一块芯片上。而这些方案中，微环调制器、光电探测器与加热器仍然是独立的器件，会增加器件尺寸与能耗。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法，可以实现单一微环上集成的波长锁定。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括单模输入波导、调制部分、功能复用部分和反馈控制单元；输入光信号由单模输入波导进入，与具有调制部分和功能复用部分的微环谐振器耦合连接，在调制部分进行调制，经功能复用部分执行光电探测功能时转化为光电流，进入反馈控制单元，反馈信号回到功能复用部分，在功能复用部分执行加热功能时对功能复用部分进行加热，完成输入光信号的波长锁定。
所述反馈控制单元，包括电源，跨阻放大器，数据采集卡，模数转换器AD，数模转换器DA；电源输出1MHz的方波信号，其中负电压恒定，正电压由反馈控制，在电源输出负电压时，微环功能复用部分进行光电探测功能，探测到的光电流经过跨阻放大器和模数转换器AD，由数据采集卡采集，数据采集卡与电脑相连接，通过电脑逻辑处理输出正电压，加给功能复用部分，其执行加热功能对波长进行锁定。
所述调制部分和功能复用部分集成在同一微环谐振器上，微环的圆周分为两部分，一部分用作调制部分，对光信号进行调制，另一部分是功能复用部分，这一部分进行功能的复用，在加负电压时用作光电探测器，加正电压时用作加热器。
所述在同一微环谐振器上，调制部分所在圆周的长度大于功能复用部分所在圆周的长度。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明将微环调制器、光电探测器、加热器集成在同一微环上，完成光电探测器、加热器功能的复用，实现在一定温度范围内对波长的锁定。
2) 本发明结合硅基上成熟的载流子耗尽型微环调制器，形成了一种结构紧凑、速度快、功耗低、效果好的波长锁定方法。
3) 本发明器件可以用平面集成光波导工艺制作，成本低，性能高，损耗小，微环中集成了三种功能的器件，且无需额外的工艺流程，与传统的CMOS工艺完美兼容，结构简单，易于制作，具有大规模生产的潜力。
附图说明
图1是本发明连接结构示意图。
图2是本发明调制部分置于SOI上的截面示意图。
图3是本发明功能复用部分置于SOI上的截面示意图。
图4是本发明中反馈控制单元结构示意图。
图5是本发明中电源电压随时间变化的示意图。
图6是本发明反馈控制单元中电脑对电压信号的处理示意图。
图中：1、单模输入波导，2、调制部分，3、功能复用部分，4、反馈控制单元，5、方波信号，201、二氧化硅层衬底，202、P掺杂硅波导，203、N掺杂硅波导，204、脊波导，301、等效本征区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括单模输入波导1、调制部分2、功能复用部分3和反馈控制单元4；输入光信号由单模输入波导1进入，与具有调制部分2和功能复用部分3的微环谐振器耦合连接，在调制部分2进行调制，经功能复用部分3执行光电探测功能时转化为光电流，进入反馈控制单元4，反馈信号回到功能复用部分3，在功能复用部分3执行加热功能时对功能复用部分3进行加热，完成输入光信号的波长锁定。
如图4所示，所述反馈控制单元4，包括电源，跨阻放大器，数据采集卡，模数转换器AD，数模转换器DA；电源输出1MHz的方波信号5，其中负电压恒定，正电压由反馈控制，在电源输出负电压时，微环功能复用部分3进行光电探测功能，探测到的光电流经过跨阻放大器和模数转换器AD，由数据采集卡采集，数据采集卡与电脑相连接，通过电脑逻辑处理输出正电压，加给功能复用部分3，其执行加热功能对波长进行锁定。
如图5所示，电源电压随时间变化，其负电压部分VDD保持恒定不变，正电压部分VCC是改变的，其大小是反馈电压信号的输出，反馈电压信号的输出方式如图6所示，将电压信号与阈值电压进行比较，如果小于阈值电压就增大正电压，如果大于阈值电压就减小正电压，再将正电压大小作为反馈电压信号输出。
如图1所示，所述调制部分2和功能复用部分3集成在同一微环谐振器上，微环的圆周分为两部分，一部分用作调制部分2，对光信号进行调制，另一部分是功能复用部分3，这一部分进行功能的复用，在加负电压时用作光电探测器，加正电压时用作加热器。
所述在同一微环谐振器上，调制部分2所在圆周的长度大于功能复用部分3所在圆周的长度。调制部分2所在圆周的长度与功能复用部分3所在圆周的长度之比是三比一。
如图2和图3所示，调制部分2和功能复用部分3置于SOI上的截面结构相同，都是硅波导与脊波导204覆盖在二氧化硅层衬底201上，其中硅波导由于掺杂材料不同分为P掺杂硅波导202与N掺杂硅波导203，脊波导204和P掺杂硅波导202之间的距离与脊波导204和N掺杂硅波导203之间的距离相同；两者的区别在于由于离子注入窗口的不同，功能复用部分3中由于离子注入窗口交叠形成的等效本征区301，从而形成了PIN结的结构。
以上元器件根据设计需要均可在市场上选购。
本发明调制部分2和功能复用部分3的制作方法：
调制部分2和功能复用部分3具体的制作工艺流程采用标准的绝缘层上硅（SOI）材料，SOI材料的覆盖层二氧化硅厚度为1μm，脊波导的宽度是450nm，硅波导的高度是220nm，刻蚀150nm，保证单一的模场能限制在脊波导的中心区域，重掺杂区域距离脊波导2μm，可以确保重掺杂区域不会大量吸收脊波导内的光，P-N结重掺杂的P+、N+区域的浓度1×1020/cm3，形成良好的欧姆接触，P、N区域的离子注入浓度1×1018/cm3产生缺陷态等晶格损伤，然后利用快速退火（RTA）激活杂质同时修复晶格，保留一定数量的残余缺陷，能促进硅在1550nm波段的亚带隙吸收并产生光电流。
功能复用部分3在对P区和N区的离子注入时，注入的窗口需要在波导中心处重叠一部分，交叠部分的P型、N型杂质互相补偿形成低浓度等效本征区，不会带来载流子吸收损耗。重叠区的两次离子注入会增加缺陷态的浓度分布，并在等效本征区累积，有利于光生载流子的产生。
在制作载流子耗尽型微环调制器的工艺过程中，经过离子注入和1070℃的快速退火以及完整的CMOS后端工艺后，晶格中的残余缺陷能促进硅在1550 nm波段的亚带隙吸收并产生光电流。这种缺陷态吸收能够产生可观的光电流，用来进行光电探测。
本发明的微环中的调制部分2、功能复用部分3制作工艺相同，只是离子注入窗口不同。功能复用部分3利用载流子耗尽型调制器中离子注入导致的残余缺陷，通过调整离子注入窗口的位置并选择适当的离子注入水平，在硅波导中形成能产生光生载流子的补偿型低浓度等效本征区，从而能够实现光电转换的功能，在加负电压时作为光电探测器使用。同时，在加正电压时，该结构的有效折射率发生变化，使谐振波长改变，可以起到加热器的作用。

Claims (4)

1.具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法，其特征在于：包括单模输入波导(1)、调制部分(2)、功能复用部分(3)和反馈控制单元(4)；输入光信号由单模输入波导(1)进入，与具有调制部分(2)和功能复用部分(3)的微环谐振器耦合连接，在调制部分(2)进行调制，经功能复用部分(3)执行光电探测功能时转化为光电流，进入反馈控制单元(4)，反馈信号回到功能复用部分(3)，在功能复用部分(3)执行加热功能时对功能复用部分(3)进行加热，完成输入光信号的波长锁定。
2.根据权利要求1所述的具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法，其特征在于：所述反馈控制单元(4)，包括电源，跨阻放大器，数据采集卡，模数转换器AD，数模转换器DA；电源输出1MHz的方波信号(5)，其中负电压恒定，正电压由反馈控制，在电源输出负电压时，微环功能复用部分(3)进行光电探测功能，探测到的光电流经过跨阻放大器和模数转换器AD，由数据采集卡采集，数据采集卡与电脑相连接，通过电脑逻辑处理输出正电压，加给功能复用部分(3)，其执行加热功能对波长进行锁定。
3.根据权利要求1所述的具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法，其特征在于：所述调制部分(2)和功能复用部分(3)集成在同一微环谐振器上，微环的圆周分为两部分，一部分用作调制部分(2)，对光信号进行调制，另一部分是功能复用部分(3)，这一部分进行功能的复用，在加负电压时用作光电探测器，加正电压时用作加热器。
4.根据权利要求3所述的具有功能复用的载流子耗尽型微环谐振器波长锁定方法，其特征在于：所述在同一微环谐振器上，调制部分(2)所在圆周的长度大于功能复用部分(3)所在圆周的长度。
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