CN109727849A - 一种无串扰瞬时提高基于缺陷态机制的载流子耗尽型硅光功率监测器响应度的方法 - Google Patents

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本发明公开了一种无串扰瞬时提高基于缺陷态机制的载流子耗尽型硅光功率监测器响应度的方法。该方法基于对载流子耗尽型硅光功率监测器在微秒级时间范围内加热，短时间内使更多在缺陷态能级上的电子热激发到导带，增大光生载流子的数量，瞬时提高光功率监测器的响应度，并且利用DSP外围电路实时采集光功率监测器的输出电流。该方法使用CMOS工艺，将加热部分也集成在光电子芯片上，这样可以使在热电极半径70um的范围外的器件不受影响。从而实现了在不影响主要器件的工作性能下，瞬时提高了监测器响应度。在下文中，使用“硅光功率监测器”代表“基于缺陷态机制的载流子耗尽型硅光功率监测器”。

Description

一种无串扰瞬时提高基于缺陷态机制的载流子耗尽型硅光功 率监测器响应度的方法
技术领域
本发明涉及一种瞬时提高硅光功率监测器响应度的方法，特别涉及一种无串扰瞬时提高基于缺陷态机制的载流子耗尽型硅光功率监测器响应度的方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，电互连遇到瓶颈，光互连应运而生。硅基光电子学是光互连中的热门研究方向。基于硅基微环的器件由于其高Q值，小尺寸，低能耗，在光互连中扮演着重要的角色。由于硅的高热光系数及微环的谐振特性，微环的工作状态非常容易受到热干扰影响，需要建立反馈系统对其进行反馈锁定。在反馈系统中，非常重要的一个环节是将微环中的光信号提取出来，这里要用到的器件是光功率监测器。本质上，光功率监测器和光电探测器都是进行光电转换的器件，两者在基本原理和完成功能上没有差别，区别在于应用场景和性能要求不同。
光电探测器位于高速光通信链路的末端，用于将通信链路中的光载波转化为电信号，由于要传递的信息都搭乘在光载波上，所以需要尽可能高的光电转换速度和响应度。光功率监测器的作用则是对器件的工作状态进行监测，它位于链路内部，由于仅提取小部分的光信号就可以达到监测的需求，故而对光电转换速度和响应度的要求没有光电探测器那么高。室温下硅的禁带宽度为1.12eV，而硅波导探测的截止波长小于1100nm，对于1300nm和1550nm两个常用的通信波段，纯硅材料不能完成光电转换。要想在硅基上实现光电转换，需要考虑加入其它材料或者采用新的机制。最常见的解决方案是使用三五族材料，但是这需要进行混合集成。后来随着硅上锗外延技术不断的发展，人们研究出了性能越来越好的锗硅光电探测器。为了降低成本，实现全硅材料功率监测的方案，根据光的吸收机制分类可以分为：双光子吸收(TPA)功率监测器、表面态吸收(SSA)功率监测器、缺陷态吸收(DSA) 功率监测器。但是全硅材料的光功率监测器响应度没有那么高，所以如何提高全硅光功率监测器的响应度是一个重要的课题。
对于提高硅光功率监测器的响应度，本发明基于载流子耗尽型硅基调制器结构，其原理是在经过离子注入和退火以及完整的CMOS后端工艺后，晶格中的残余缺陷仍可以产生可观的光电流来进行光功率监测。这样就不需要额外的离子注入步骤来在波导中引入缺陷。通过对硅基载流子耗尽型调制器结构的光功率监测器加热从而提高缺陷态能级电子跃迁到导带中的数量，进而提高光电转换效率，即达到了提高硅材料监测器的响应度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种瞬时提高硅光功率监测器响应度的方法。
本发明所采用的技术方案是对硅光功率监测器加热，提高缺陷态能级电子跃迁到导带中的数量，如图1所示，进而提高光电转换效率。目前常见的硅光芯片加热办法有两种，一种是通过金属热电阻(氮化钛或钨)或通过高浓度离子注入的方式实现对硅基波导加热；具体的加热方式如图3和图4所示。
具体的，本发明的一种基于硅材料光功率监测器响应度方法包括如下步骤，
1)外设的激光器通过光栅耦合器或者端面耦合器耦合进硅光功率监测器；
2)在硅光功率监测器上方集成金属热电阻，或者在硅波导两边离子注入形成波导热电阻，所述的金属热电阻或波导热电阻的加热有效半径小于70um；对金属热电阻或波导热电阻施加电压使其瞬时加热，加热增加了硅中缺陷态能级上电子热激发到导带中的数量，提高了光功率监测器的响应度；
3)使用外围电路实时采集硅光功率监测器的输出电流；并设置硅光电监测器输出电流的阈值I0(最佳输出电流)，此时对应的热电阻的热功率为P0；并且设置电路的最大允许输出电压Vmax，对应的热电阻最大热功率为Pmax，这样做可以保护热电阻不会被烧断或击穿；当硅光功率监测器输出电流低于阈值I0时，根据输出电流的大小增大金属热电阻的施加电压(即增大施加的热功率)，直至硅功率监测器输出电流达到阈值I0或者施加电压达到最大允许施加电压Vmax；最大允许施加电压对应的硅光功率监测器的输出电流为极限输出电流Imax。
本发明使用CMOS工艺制作加热结构，可以在半径70um范围内有效地提高硅光功率监测器的温度，而在此范围之外的其他主要工作器件性能不会受到影响。
优选的，所述的对热电阻的瞬时加热的加热时间大于10us，优选为10-20us。
优选的，所述使用外围电路实时采集光功率监测器的输出电流的采样频率大于1MHz。
优选的，所述的当输出电流少于阈值I0时，施加电压的调节步进为50mV。
优选的，所述的金属热电阻的材料为氮化钛或钨。
本发明的有益效果是，在硅光链路中，对硅材料监测器瞬时加热，可以在不影响主要器件性能的前提下增强对光功率的探测能力。由于该芯片制造工艺基于CMOS工艺，即可以将光子芯片和电子芯片做在同一块芯片上，这样做可以将外围的控制芯片与其集成在同一块芯片上，大大减低了整个系统的尺寸与功耗，也节省了生产成本。
附图说明
图1是硅材料功率监测器的能带图。
图2是本发明整体结构示意图。
图3是本发明基于SOI波导离子注入加热电阻结构。
图4是本发明基于SOI氮化钛金属加热电阻结构。
图5是硅光电探测器输出电流与对热电阻施加热功率关系曲线(1)，该图说明了硅光电监测器可以在热电阻施加电压到达Vmax之前达到输出阈值电流。
图6是硅光电探测器输出电流与对热电阻施加热功率关系曲线(2)，改图说明了硅光电监测器不能在热电阻施加电压到达Vmax之前达到阈值输出电流，即硅光电监测器不能到达预期响应度的放大倍数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明基于经过离子注入和退火以及完整的CMOS后端工艺后，晶格中的残余缺陷仍可以产生可观的光电流来进行光功率监测。对探测器的加热方式为两种均与CMOS工艺兼容的制备方法，图中“3”为SOI波导离子注入加热电阻结构，其中“4”为硅波导探测器，“5”金属导线；图4是基于SOI氮化钛金属加热电阻结构，其中“4”为硅波导探测器，“5”金属导线，“6”为金属热电极。
本发明基于硅材料光功率监测器响应度方法包括如下步骤：
1)外设的激光器通过光栅耦合器或者端面耦合器耦合进硅光功率监测器；
2)在硅光功率监测器上方集成金属热电阻，或者在硅波导两边离子注入形成波导热电阻，所述的金属热电阻或波导热电阻的加热有效半径小于70um；对金属热电阻或波导热电阻施加电压使其在20us范围内瞬时加热，加热增加了硅中缺陷态能级上电子热激发到导带中的数量，提高了光功率监测器的响应度；
3)使用外围电路实时采集硅光功率监测器的输出电流；并设置硅光电监测器输出电流的阈值I0(最佳输出电流)，此时对应的热电阻的热功率为P0；并且设置电路的最大允许输出电压Vmax，对应的热电阻最大热功率为Pmax，这样做可以保护热电阻不会被烧断或击穿；当硅光功率监测器输出电流低于阈值I0时，根据输出电流的大小增大金属热电阻的施加电压(即增大施加的热功率)，直至硅功率监测器输出电流达到阈值I0或者施加电压达到最大允许施加电压Vmax；最大允许施加电压对应的硅光功率监测器的输出电流为极限输出电流Imax。
通过对功率监测器的加热，使图1中缺陷态能级上更多的电子热激发到导带中，提高光电流的输出，从而实现高响应度的功率监测器。图2中的“1”为加热部分，“2”为功率监测器，“3”为输出光电流的电极。如图2所示，使用模数转化器和信号处理单元完成对功率监测器电压的施加和输出光电流信号的采集和处理。设置合适的时钟信号，使用模数转换器和外围电路对探测器短时间加热，模数转换器再对输出光电流进行采样处理，然后停止对探测器加热，从而完成对功率的监测。如图5所示，当硅光功率监测器的输出电流低于阈值输出电流I0时，增大外围电路对热电阻的施加电压，使得硅光电监测器的输出电流继续增大，直到在最大允许输出电压Vmax之前达到阈值输出电流。这说明该硅光电监测器可以正常工作。如图6所示，当硅光功率监测器的输出电流低于阈值输出电流I0时，增大外围电路对热电阻的施加电压，使得硅光电监测器的输出电流继续增大，但并未最大允许输出电压Vmax之前达到阈值输出电流，说明该硅光功率监测器不能达到预期的响应度放大倍数。

Claims (6)

1.一种无串扰瞬时提高基于缺陷态机制的载流子耗尽型硅光功率监测器响应度的方法，其特征在于：
1)外设的激光器通过光栅耦合器或者端面耦合器耦合进硅光功率监测器；
2)在硅光功率监测器上方集成金属热电阻，或者在硅波导两边离子注入形成波导热电阻，所述的金属热电阻或波导热电阻的加热有效半径小于70um；对金属热电阻或波导热电阻施加瞬时电压使其瞬时加热，加热增加了硅中缺陷态能级上电子热激发到导带中的数量，提高了光功率监测器的响应度；
3)使用外围电路实时采集硅光功率监测器的输出电流；并设置硅光电监测器输出电流的阈值I0，此时对应的热电阻的热功率为P0；并且设置电路的最大允许输出电压Vmax，对应的热电阻最大热功率为Pmax，当硅光功率监测器输出电流低于阈值I0时，根据输出电流的大小增大金属热电阻的施加电压，直至硅功率监测器输出电流达到阈值I0或者施加电压达到最大允许施加电压Vmax；最大允许施加电压对应的硅光功率监测器的输出电流为极限输出电流Imax。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的对热电阻的瞬时加热的加热时间大于10us。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的对热电阻的瞬时加热的加热时间为10-20us。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述使用外围电路实时采集光功率监测器的输出电流的采样频率大于1MHz。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的当输出电流少于阈值I0时，施加电压的调节步进为50mV。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的金属热电阻的材料为氮化钛或钨。
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