CN109870833A - 基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器 - Google Patents

Abstract

一种基于硅‑相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，制作在绝缘体硅基片上,所述的绝缘体硅基片包含底层本征硅层、中间绝缘体层和上面的第二本征硅层，在第二本征层中形成硅波导，在硅波导有源区的部分进行掺杂，形成掺杂波导区域，再在掺杂波导区域的部分区域和硅波导有源区部分区域的顶部依次沉积相变材料层和上电极层，整体结构再覆盖一定厚度的上包层，所述的掺杂硅波导和上电极层通过通孔与位于所述的上包层外的阳极金属平板和阴极金属平板相连接。本发明多级光衰减器具有读写速度快(ns量级)、循环次数高(>10¹²)、功耗低、与现有的CMOS工艺兼容、技术实现难度和产业成本较低、尺寸紧凑等特点。

Description

基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器

技术领域

本发明涉及多级光衰减器，特别是一种基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器。

背景技术

近年来通过国内外学者的不断努力，已经证明采用微电子工艺，可以在硅上制造光子器件。硅基光子器件应运而生，其优势在于除了无需投入昂贵设备即可实现低成本批量生产外，还可以在同一芯片上实现光子和电子的混合集成。

随着集成光子学的快速发展，为了减少芯片的整体尺寸，对光器件的紧凑性要求越来越高。通常情况下，硅基集成器件通过热光效应或者载流子色散效应来改变硅材料的折射率，从而实现有源调节。但热光效应的响应速度比较慢，通常在微秒量级；载流子色散效应虽然响应速度快，但其折射率的调节范围有限，通常折射率改变在0.001量级，因此为了达到相位的变化，需要mm量级的长度，导致高速调制器和光开关通常很长。虽然采用高Q值谐振腔结构可以将器件尺寸降到微米量级，但工作带宽通常很小，导致采用这些结构的器件对环境温度的变化非常敏感。因此需要寻找一种可以实现折射率大幅度高速调节的材料，与硅材料混合集成，以此来弥补硅材料的不足，从而进一步减小器件的尺寸和功耗。

石墨烯因具有高载流子迁移率、可调谐性和大宽带等独特的物理特性，被认为是实现光子集成器件的理想材料。然而，仍需要一个持续的工作电压，导致高功耗。另一种非易失性折射率调谐方案是将相变材料与硅材料集成在一起。相变材料在相变前后具有显着的光学性质变化，可以获得n>1的折射率变化。相变材料本身具有“自保持”特性，因此，折射率改变可以长时间保持而不消耗能量。此外，相变材料的相变时间一般为几百皮秒到十几纳秒，该特性使其非常适用于可调谐光学电路。

近年来，人们对包含相变材料的光子器件越来越感兴趣。英国和德国的研究人员2015年在Nature Photonics(Vol.9,pages 725–732)上报道了一款非易失性光存储器，这项成果借助相变材料来存储信息，由于突破了现有的光电信号转换的瓶颈，因此该设备能够显著地提升处理速度。浙江大学李强课题组2017在Light:Science&Applications(Vol.6,e16194) 上报道了将相变材料GST合金与金属结合起来，组成简单的层状结构，通过退火改变GST合金的原子排布方式，从而实现调控辐射率的目的，并且可以在不施加额外的电压或加热装置的条件下，就可以长期维持需要的辐射率，可以有效地控制物体中红外波段的辐射率从0.2-1之间连续变化。与此同时，上海交通大学2018年在Optics Letter(Vol.43,Issue 22) 上报道了全光可调谐非易失性相变材料光开关。通过使用一系列光脉冲使GST相变，从而实现调谐。调谐是非易失性和可调谐的，由于GST的“自保持”特性而没有静态功耗。通过控制脉冲数可以使2m长的GST部分结晶，从而提高调谐自由度。通过选择最佳波长，可以获得超过20dB的透射对比度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，结合相变材料的优点，提出一种基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级光衰减器，该多级光衰减器具有读写速度快(ns量级)、循环次数高(>10¹²)、功耗低、与现有的 CMOS工艺兼容、技术实现难度和产业成本较低、尺寸紧凑等特点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，其特点在于该多级光衰减器制作在绝缘体硅基片上,所述的绝缘体硅基片包含底层本征硅层、中间绝缘体层和上面的第二本征硅层，在第二本征层中形成硅波导，在硅波导有源区的部分进行掺杂，形成掺杂波导区域，再在掺杂波导区域的部分区域和硅波导有源区部分区域的顶部依次沉积相变材料层和上电极层，整体结构再覆盖一定厚度的上包层，所述的掺杂硅波导和上电极层通过通孔与位于所述的上包层外的阳极金属平板和阴极金属平板相连接，在阳极金属平板和阴极金属平板上施加电脉冲，沿所述的阳极金属平板、通孔、掺杂硅波导、相变材料、上电极层、通孔和阴极金属平板形成电流通路，电流产生的焦耳热诱导所述的电流通路的相变材料相变，通过控制所施加的电脉冲的数目，以控制相变材料的相变程度，实现对传输光强的多级光衰减调控。

所述的硅波导是脊形波导或条形波导。

所述的硅波导的掺杂类型是P型硼或N型磷掺杂。

所述的相变材料层是硫属化合物玻璃或金属氧化物，包括： Ge₂Sb₂Te₅、GeTe、GeSe、AgInSbTe、Ge₂Sb₂Se₄Te₁、VO₂。

所述的上电极层的材料是氧化铟锡(ITO)、铝(Al)、铜(Cu)或金 (Au)。

在金属平板的阳极(+)和阴极(-)施加电脉冲，利用焦耳热诱导相变材料进行相变，从而改变复合波导的有效折射率虚部，从而实现对传输光强度的调控，通过控制外加电脉冲的数目来控制相变材料的相变程度(晶态和非晶态的比例)，从而获得多个中间状态，最终实现对传输光强度的精准调控。形成多个中间状态的物理机理在于外加电脉冲的能量会对相变材料的相变程度产生影响。例如使相变材料全部转变非晶态时所需功率为P_all，相变材料开始由非晶态转变为晶态所需要的最低功率(阈值功率)为P_th，施加单个电脉冲的能量P_in在P_th和P_all中间任意值时，即产生的焦耳热只能使一部分相变材料发生相变(此时相变材料是晶态和非晶态的混合物)，但多个能量为P_in的电脉冲便可使更多的相变材料发生相变。即通过控制相变材料的相变程度，来调控传输光的透射率。

当相变材料处于任意相变程度，即传输光强度处于任意中间状态时，我们都可以通过特定的置位/复位脉冲使相变材料回到全相变(晶态)/ 无相变(非晶态)的状态，对应传输光强最小/最大的情况。

本发明的优点在于将硅波导与相变材料相结合实现了对传输光强的多级光衰减调控，具有相变材料读写速度快(ns量级)、循环次数高 (>10¹²)、功耗低、与现有的CMOS工艺兼容、技术实现难度和产业成本较低、尺寸紧凑等特点。通过控制相变材料的相变程度还可实现多级调控。

附图说明

图1为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器实施例1的示意图，其中硅波导层为脊形波导。

图2为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器的工作原理图。

图3为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器实施例2的示意图，其中硅波导层为条形波导。

图4为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器模场沿传播方向的变化。

图5为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器在电脉冲作用下的相变的机理。

图6为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器在传输率最大和传输率最小两种状态下的时域响应。

图7为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级光衰减器在不同状态之间切换的时域响应。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器实施例1的示意图，由图可见，本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，包括绝缘体硅(SOI)平台，该SOI平台具有形成在本征硅层1上的绝缘体层2和形成在绝缘体层2上的第二本征硅层3。在第二本征层3中形成脊形硅波导4。在硅波导4有源区的部分区域进行P型硼掺杂，形成掺杂波导区域5。再在掺杂波导区域 5的部分区域和硅波导4有源区的部分区域的顶部依次沉积相变材料层6 和上电极层7。整体结构再覆盖一定厚度的上包层8，该上包层8为二氧化硅。所述的掺杂硅波导5和上电极层7通过通孔9与位于所述的上包层8外的阳极金属平板10和阴极金属平板10相连接，在阳极金属平板10和阴极金属平板10上施加电脉冲，沿所述的阳极金属平板10、通孔9、掺杂硅波导5、相变材料6、上电极层7、通孔9和阴极金属平板10形成电流通路，电流产生的焦耳热诱导位于所述的电流通路的相变材料相变，通过控制所施加的电脉冲的数目，以控制相变材料的相变程度，实现对传输光强的多级光衰减调控。

本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器的工作原理如图2所示：在金属平板10的阳极(+)和阴极(-)上施加电脉冲，在相变材料6上产生焦耳热，使相变材料发生相变。

相变材料的相变原理如图5所示，对于相变材料从高折射率、低透射率到低折射率、高透射率的非晶化过程，需要施加一个强而窄的电脉冲，使相变材料的温度超过材料的熔点，达到打断晶态材料中化学键的目的。之后经过一个快速冷却的淬火过程，使熔化状态的相变材料中的原子来不及重新成键排列，形成短程有序、长程无序的非晶态，相变材料处于全部非晶态时，传输光的强度最大。而使相变材料从低折射率、高透射率到高折射率、低透射率的晶化过程，需要施加一个弱而宽的电脉冲对其进行加热，当材料的温度高于结晶温度但低于熔化温度时，相变材料就会结晶，相变材料处于全部晶态时，传输光的强度最小。除了全部晶化和全部非晶化，相变材料还可处于晶态和非晶态的混合状态，对应传输光强度为中间状态。也就是说通过控制相变材料的晶化程度，可以使传输光强度处于任意中间状态。而相变材料的晶化程度取决于所施加晶化脉冲的数量，或者当施加的单个脉冲的能量产生的焦耳热只能使一部分相变材料高于晶化的阈值温度，则只有该部分相变材料晶化，但如果进一步增加脉冲的数目，就会使更多的相变材料达到晶化的阈值温度，从而进一步增加晶化程度，直至相变材料全部晶化，透射光强度达到最低。

无论晶化程度如何，即相变材料处于任意比例的混合状态，只要保证非晶化脉冲(复位脉冲)足够高，处于任意传输强度(包括传输率最小的状态和任意中间状态)均可在同一个复位脉冲作用下回到传输强度最大的程度。同理，当晶化(置位)脉冲可以使相变材料全部晶化时，处于传输强度(包括传输率最大的状态和任意中间状态)均可在同一个置位脉冲作用下回到传输强度最小的状态。不仅如此，利用相变材料的“自保持”特性，维持各个状态并不需要额外能量，能量消耗只发生在各个状态的切换过程，因此极大减小了器件的功耗。

实施例2

图3是本发明基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级光衰减器实施例2的结构示意图，其中硅波导4采用条形波导，掺杂硅波导5采用P型掺杂，相变材料6采用Ge₂Sb₂Te₅(GST)材料，上包层8采用二氧化硅，上电极层7采用氧化铟锡(ITO)材料。图4为GST处于不同状态时光模场分布，计算时其他参数取为：多模波导宽度2μm，多模交叉波导长度12μm, 硅波导层高度0.22μm，GST的高度30nm，ITO的厚度为30nm。可以看到 GST在全部非晶态和全部晶态时具有不同传输分布：全部晶态对应最高的传输损耗和最低的透射率，全部非晶态对应最低的传输损耗和最高的透射率。

图6展示了在传输强度最大和最小的两种状态(GST全部处于非晶态 和全部处于晶态)时循环多次的时域响应曲线，结果表明，本发明基于 硅-相变材料混合集成的多级光衰减器具有良好的可重复性，并且可以在 没有任何输入切换能量的情况下维持传输的状态，因此，确认了“自保持” 特性。图7为不同状态之间来回切换的时域响应曲线，如图所示，该调控 单元可产生6个状态，其中Level 1-Level 4为中间状态，Level 0和Level 5 分别对应传输强度最小和传输强度最大的状态。置位脉冲为P_set,复位脉冲 为P_reset，单个部分晶化脉冲为P_n。从Level 5到达任意中间状态Level m， 只需施加(5-m)个部分晶化脉冲P_n；从Level 5到Level 0可以施加5个部分 晶化脉冲P_n，或直接施加一个置位脉冲P_set；从任意状态(即使此时的状 态并不确定)到Level 0只需施加一个置位脉冲P_set；从任意状态(即使此时的状态并不确定)到Level 5只需施加一个复位脉冲P_reset。例如，在t₃和 t₆时刻，分别用置位脉冲P_set和复位脉冲P_reset就可从Level 4分别回到Level 0和Level 5；在t₁₂和t₁₅时刻，分别用与之前同样的置位脉冲P_set和复位脉 冲P_reset就可从Level 3分别回到Level 0和Level 5；在t₇和t₁₁时刻，分别用4 个和2个部分晶化脉冲P_n就可从Level 0分别到达到Level 1和Level 3。该实 验结果验证了不同状态之间可以进行来回转换。

实验表明，本发明多级光衰减器具有读写速度快(ns量级)、循环次数高(>10¹²)、功耗低、与现有的CMOS工艺兼容、技术实现难度和产业成本较低、尺寸紧凑等特点。

以上所述，仅为本发明的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，其特征在于该多级光衰减器制作在绝缘体硅基片上,所述的绝缘体硅基片包含底层本征硅层(1)、中间绝缘体层(2)和上面的第二本征硅层(3)，在第二本征层(3)中形成硅波导(4)，在该硅波导(4)有源区的部分进行掺杂，形成掺杂波导区域(5)，再在掺杂波导区域(5)的部分区域和硅波导(4)有源区部分区域的顶部依次沉积相变材料层(6)和上电极层(7)，整体结构再覆盖一定厚度的上包层(8)，所述的掺杂硅波导(5)和上电极层(7)通过通孔(9)与位于所述的上包层(8)外的阳极金属平板(10)和阴极金属平板(10)相连接，在阳极金属平板(10)和阴极金属平板(10)上施加电脉冲，沿所述的阳极金属平板(10)、通孔(9)、掺杂硅波导(5)、相变材料(6)、上电极层(7)、通孔(9)和阴极金属平板(10)形成电流通路，电流产生的焦耳热诱导位于所述的电流通路的相变材料相变，通过控制所施加的电脉冲的数目，以控制相变材料的相变程度，实现对传输光强的多级光衰减调控。

2.根据权利要求1所述的基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，其特征在于所述的硅波导(4)是脊形波导或条形波导。

3.根据权利要求1所述的基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，其特征在于所述的硅波导(4)的掺杂类型是P型硼或N型磷掺杂。

4.根据权利要求1所述的基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，其特征在于所述的相变材料层(6)是硫属化合物玻璃或金属氧化物，包括：Ge₂Sb₂Te₅、GeTe、GeSe、AgInSbTe、Ge₂Sb₂Se₄Te₁、VO₂。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于硅-相变材料混合集成硅波导的多级非易失性光衰减器，其特征在于所述的上电极层(7)的材料是氧化铟锡(ITO)、铝(Al)、铜(Cu)或金(Au)。