CN110785697A - 用于半导体光波导的热光移相器 - Google Patents

用于半导体光波导的热光移相器 Download PDF

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Abstract

实施例包括用于对光信号进行移相的方法和相关联的装置。该方法包括：在光波导的第一端处接收具有第一相位的光信号，该光波导形成于半导体层中并沿第一轴延伸。该方法还包括：在光波导的与第一端相对的第二端处发送具有第二相位的经修改的光信号，其中第二相位不同于第一相位。发送经修改的光信号包括：在第一接触区域和第二接触区域之间施加电压信号，该第一接触区域和第二接触区域远离第一轴形成于半导体层中。施加电压信号导致电流沿光波导的尺寸被传导。电流导致对光波导的电阻加热以及第一相位和第二相位之间的期望相移。

Description

用于半导体光波导的热光移相器
技术领域
在本公开中提出的实施例一般地涉及光子学，并且更具体地，涉及与光波导形成在同一半导体层中的热光移相器。
背景技术
在光子电路中，热光移相器通常被用作光学偏置或调谐元件(例如，在调制器或可调滤波器中)。通常，为了制造较小和/或低功率的光学器件，并在给定的功率预算内提供更大的调谐范围，可能需要提高热光移相器的效率。
一种用于提高热光移相器的效率的技术包括在接近光波导处放置明显的加热元件，这减少了耦合到其他附近的元件(例如，基底)中的热的量。然而，加热元件的接近往往会增加光学插入损耗。用于提高热光移相器的效率的另一种技术包括使用空气沟槽或(一个或多个)其他绝热材料将加热元件和/或光波导与其他元件(例如，基底)热隔离。
附图说明
为了可以详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对上文中简要概述的本公开进行更详细的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出本公开的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他等效的实施例。
图1示出根据一个实施例的、用于沿光波导的宽度传导电流的示例性装置。
图2示出根据一个实施例的椭圆形光学过渡区域的长轴和短轴。
图3示出根据一个实施例的限定线性的锥度(taper)的示例性光学过渡区域。
图4示出根据一个实施例的用于热光移相器的示例性掺杂分布。
图5示出根据一个实施例的用于沿光波导的长度传导电流的示例性装置。
图6示出根据一个实施例的包括半导体层中的热光移相器的多个层。
图7示出根据一个实施例的具有从基底层去除的区域的多个层。
图8示出根据一个实施例的对光信号进行移相的示例性方法。
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的参考数字来表示图中共有的相同元件。可以预期，一个实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施例，而无需具体的叙述。
具体实施方式
概述
在独立权利要求中陈述了本发明的各方面，在从属权利要求中陈述了优选特征。一个方面的特征可以单独地或与其他方面结合地应用于每个方面。
在本公开中提出的一个实施例是一种装置，包括：光波导，其形成在半导体层中；第一接触区域，其形成在半导体层中并与光波导相交；以及第一光学过渡区域，其在光波导和第一接触区域之间延伸。第一接触区域与第一光学过渡区域电耦合，并且被配置为沿光波导的尺寸传导电流，以将电阻加热施加到光波导。
另一个实施例是一种装置，包括光波导，其形成在半导体层中并沿第一轴延伸，该光波导具有第一掺杂水平。该装置还包括第一接触区域和第二接触区域，该第一接触区域和第二接触区域远离第一轴形成在半导体层中，其中第一接触区域和第二接触区域各自具有相应的第二掺杂水平，该第二掺杂水平大于第一掺杂水平。响应于施加在第一接触区域和第二接触区域之间的电压信号，电流沿光波导的尺寸被传导，并且对光波导的电阻加热通过该电流被提供。
另一个实施例是一种方法，包括：在光波导的第一端处接收具有第一相位的光信号，该光波导形成于半导体层中并沿第一轴延伸。该方法还包括：在光波导的第二端处发送具有第二相位的经修改的光信号，其中第二端与第一端相对，第二相位不同于第一相位。发送经修改的光信号包括：在第一接触区域和第二接触区域之间施加电压信号，该第一接触区域和第二接触区域远离第一轴形成于半导体层中。施加电压信号导致电流沿光波导的尺寸被传导，并且电流导致光波导的电阻加热以及第一相位和第二相位之间的期望相移。
示例实施例
本公开的实施例一般地涉及与光波导形成在同一半导体层中的热光移相器的实现方式。在一些实施例中，至少第一接触区域形成在半导体层中，并且被配置为沿光波导的尺寸传导电流，以将电阻加热施加到光波导。尺寸可以是光波导的宽度或长度。这样，光波导本身可以用作电阻加热元件，使得该装置不需要包括单独的加热元件。
在一些实施例中，该装置至少包括第一光学过渡区域，该第一光学过渡区域在光波导和第一接触区域之间延伸。第一光学过渡区域具有这样的形状和大小：该形状和大小被选择为减轻通常由于第一接触区域与光波导的相交而可能发生的光学损耗。在一些实施例中，第一光学过渡区域在光波导与第一接触区域之间限定线性的锥度。在其他实施例中，第一光学过渡区域在光波导和第一接触区域之间限定弯曲的锥度。例如，第一光学过渡区域可以是与光波导重叠的椭圆，其中椭圆的长轴与波导的纵轴对齐，并且椭圆的短轴基本垂直于纵轴。
在一些实施例中，第一接触区域具有第一掺杂水平，其大于光波导的第二掺杂水平。在一个实施例中，第一光学过渡区域也具有第二掺杂水平。这样，光波导和/或第一光学过渡区域中的电阻可以比第一接触区域中的电阻大，从而电流趋于将热集中在光学模式处，并且使散失到光子平台的其他部分的热最小化。
图1示出根据一个实施例的、用于沿光波导的宽度传导电流的示例性装置100。在一些实施例中，装置100形成在单个半导体层内，例如形成在包括多个光学组件的基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)的光子平台的硅层内。使用合适的(一种或多种)替代半导体材料的实施方式也是可能的。
装置100包括在半导体层中沿第一轴延伸的光波导105。如图所示，第一轴对应于X轴。装置100还包括形成在半导体层中并与光波导105相交的接触区域110。在一些实施例中，接触区域110在半导体层中沿第二轴延伸。在一些实施例中，第二轴基本垂直于第一轴。如图所示，第二轴对应于Y轴。然而，在其他实施例中，接触区域110可以以其他合适的角度与光波导105相交。在一些实施例中，接触区域110延伸到光波导105的两侧(即，在正Y方向和负Y方向)。在其他实施例中，接触区域110仅延伸到光波导105的一侧。此外，尽管在光波导105的第一侧上的接触区域110的范围被描绘为与在光波导105的第二侧上的接触区域110的范围基本相同，但这不是必需的。
如图所示，接触区域110与两个金属接触件(contact)120-1、120-2连接，但其他合适的导电材料也有可能用于接触件120-1、120-2。接触件120-1被设置在光波导105的第一侧，并且接触件120-2被设置在光波导的相对的第二侧。接触区域110通过接触件120-1、120-2与电压源125连接，该电压源125被配置为在光波导105上施加电压信号v。电压信号v使电流135沿光波导105的尺寸在接触件120-1、120-2之间通过。如图所示，光波导105的尺寸是光波导105的宽度，其与Y轴基本对齐。由于热电性质，电流135引起对光波导105的加热，使得装置100被配置为在光波导105处接收具有第一相位Φ1的光信号(“光输入”)并发送具有第二相位Φ2的经修改的光信号(“光输出”)，其中第二相位Φ2不同于第一相位Φ1。
装置100还包括在光波导105和接触区域110之间延伸的光学过渡区域115。光学过渡区域115具有被选择为减轻通常由于接触区域110与光波导105的相交而可能发生的光学损耗的形状和大小。例如，可以基于接收到的第一光信号的波长和光波导105的尺寸(例如，光波导105在Y方向上的宽度、半导体层在Z方向上的厚度)中的一者或多者来选择光学过渡区域115的尺寸。一个或多个锥度区域130由光学过渡区域115限定，并在光波导105和接触区域110之间延伸。
在其他实施例中，光学过渡区域115(更具体地，锥度区域130)在光波导105和接触区域110之间限定弯曲的锥度。例如，如图1和图2所示，光学过渡区域115可以是与光波导105重叠的椭圆200。具有弯曲的锥度的光学过渡区域115的其他形状(例如，圆形、半圆形、半椭圆形等)也是可能的。在一些情况下，椭圆200以光波导105和接触区域110的相交点(intersection)为中心。在一些实施例中，椭圆200的长轴205与光波导105的长轴对齐(如图所示，沿X轴)，并且椭圆200的短轴210与接触区域110的长轴对齐(如图所示，沿Y轴并基本垂直于光波导105的长轴)。在一个实施例中，长轴205与短轴210的比率约为4∶1。例如，对于10微米(μm)的长轴205，短轴210约为2.5μm。该比率对应于装置100的最低光学损耗。
在一些实施例中，光学过渡区域115(更具体地，锥度区域130)在光波导105和接触区域110之间限定线性的锥度。如图3所示，光学过渡区域115可以是与光波导105重叠的八边形305。具有线性的锥度的光学过渡区域115的其他形状(例如，矩形、菱形、六边形等)也是可能的。此外，尽管本文具体讨论了弯曲的锥度和线性的锥度，但是锥度区域130可以具有适合于减小由光波导105和接触区域110的相交引起的光学损耗的任何其他轮廓。
在一些实施例中，光波导105、接触区域110、和/或光学过渡区域115可以整体地(monolithically)形成，但这不是必需的。例如，可以从单层硅或其他合适的半导体材料蚀刻光波导105、接触区域110、和光学过渡区域115。
在一些实施例中，可以通过使装置100的不同部分具有不同的尺寸和/或对装置100的不同部分进行不同掺杂来控制装置100的加热浓度。例如，可以使用已知的蚀刻工艺来对光学过渡区域115和/或光波导105执行部分蚀刻以提供较小的电横截面，并因此提供与接触区域110的(一个或多个)其他部分相比相对更大的电阻。在另一示例中，已知的掺杂工艺可以使光学过渡区域115和/或光波导105具有相对更小的掺杂水平，并因此具有与接触区域110的(一个或多个)其他部分相比相对更大的电阻。
图4示出根据一个实施例的用于热光移相器的示例性掺杂分布405。更具体地，图400示出相对于接触区域110的长轴(如图所示，在Y尺寸上对齐)的掺杂分布405。
在图405中，光学过渡区域115和光波导105具有第一掺杂水平D1，并且接触区域110的与光学过渡区域115不重叠的部分410-1、410-2具有第二掺杂水平D2，第二掺杂水平D2大于掺杂水平D1。这样，光学过渡区域115和光波导105可具有与部分410-1、410-2相比相对更大的电阻。当电流流过接触区域110时，由于电阻相对较大，在光波导105附近产生的热具有较大的浓度。
在一些实施例中，光学过渡区域115和/或光波导105的尺寸可以与部分410-1、410-2不同。例如，光学过渡区域115和/或光波导105的电横截面比部分410-1、410-2小，这向光学过渡区域115和/或光波导105提供了与部分410-1、410-2相比相对更大的电阻。在一个实施例中，光学过渡区域115和/或光波导105可以被部分蚀刻以具有比部分410-1、410-2更短的高度(例如，在Z方向上)。除了上面讨论的不同掺杂水平之外或作为其替代，可以执行不同的尺寸确定。
此外，虽然已经将不同的掺杂水平和/或高度描述为两个离散的水平或高度，但是替代实施例可以包括多于两个的离散的水平或高度，和/或一个或多个部分，该一个或多个部分在不同的掺杂水平或不同的高度之间具有基本连续的过渡(例如，渐变)。
图5示出根据一个实施例的用于沿光波导的长度传导电流的示例性装置500。装置500可以与本文描述的其他实施例结合使用。装置500包括光波导105、第一接触区域110-1和第二接触区域110-2，其中第一接触区域110-1在第一相交点与光波导105相交，第二接触区域110-2在第二相交点与光波导105相交。
接触区域110-1与第一接触件120-1连接，并且第二接触区域110-2与第二接触件120-2连接。接触件120-1被设置在光波导105的第一侧(沿正Y方向)，并且接触件120-2也被设置在光波导105的第一侧。可替代地，接触件120-1、120-2可以被设置在光波导120的相对侧上。接触区域110-1、110-2可以具有基本相同的材料组成、尺寸、和/或相对于光波导105的取向，但这不是必需的。例如，将光波导105的第一侧上的接触区域110-1的范围描绘为与第一侧上的接触区域110-2的范围基本相同。
将电压源125配置为通过接触区域110-1、110-2在光波导105上施加电压信号。所施加的电压信号使得电流135沿光波导105的尺寸在接触件120-1、120-2之间通过。如图所示，光波导105的尺寸是光波导105的长度，其基本上与X轴对齐。由于热电性质，电流135引起对光波导105的加热，使得装置100被配置为在光波导105处接收具有第一相位Φ1的光信号(“光输入”)并发送具有第二相位Φ2的经修改的光信号(“光输出”)，其中第二相位Φ2不同于第一相位Φ1。
装置500还包括：第一光学过渡区域115-1，其在光波导105与第一接触区域110-1之间在第一相交点附近延伸；以及第二光学过渡区域115-2，其在光波导105与第二接触区域110-2之间在第二相交点附近延伸。如图所示，第一光学过渡区域115-1和第二光学过渡区域115-2延伸超出相应的相交点，例如，延伸至光波导105的负Y方向。
第一光学过渡区域115-1和第二光学过渡区域115-2各自具有被选择为减轻通常由于相应的接触区域110-1、110-2与光波导105的相交而可能发生的光学损耗的形状和大小。例如，可以基于接收到的第一光信号的波长和光波导105的尺寸(例如，光波导105在Y方向上的宽度、半导体层在Z方向上的厚度)中的一者或多者来选择每个光学过渡区域115-1、115-2的尺寸。第一光学过渡区域115-1和第二光学过渡区域115-2各自包括一个或多个锥度区域。
与以上讨论一致，光学过渡区域115-1、115-2、光波导105、和/或接触区域110-1、110-2可具有相对掺杂水平和/或尺寸，以提供相对电阻。这样，由电流135的流动产生的电阻热可以在光波导105附近具有更大的浓度。在第一相交点和第二相交点之间定义光波导105的长度L。在一些实施例中，长度L被选择为使得光波导105在第一接触件110-1和第二接触件110-2之间呈现期望的电阻RL。
图6示出根据一个实施例的包括半导体层中的热光移相器的多个层。例如，图6中描绘的光子平台600可以是基于SOI的光子平台。根据以上讨论的技术，热光移相器(例如，装置100、500)可以形成在光子平台的半导体层615中。
在光子平台600中，介电层610部分地设置在基底层605与半导体层615之间。在基于SOI的示例实施方式中，半导体层615可以由硅(Si)形成，介电层610可以由二氧化硅(SiO2)形成，并且基底层605可以由硅形成。如图所示，介电层610基本上围绕半导体层615。但是，在其他实施例中，介电层610完全设置在基底层605和半导体层615之间。
在图7中，光子平台700具有从基底层605去除的区域705。去除的区域705通常与半导体层615的至少一部分重叠。在一些实施例中，去除的区域与形成在半导体层615中的光波导、接触区域、和光学过渡区域中的至少一者重叠。
可以使用本领域中已知的背面蚀刻技术对去除的区域705的材料进行去除。在一个示例中，可以从基底层605的表面710执行深反应离子蚀刻或湿蚀刻。在另一个示例中，可以从表面710执行互补金属氧化物半导体(CMOS)蚀刻工艺或微机电系统(MEMS)蚀刻工艺。无论使用哪种背面蚀刻工艺，在一些实施例中，去除的区域705都从基底层605的表面710延伸到相对的表面715。
从去除的区域705去除材料使从热光移相器(在半导体层615中)到基底层605的主要热辐射路径最小化。使热辐射路径最小化提高了热光移相器的效率，在某些情况下可提高多达10倍。
图8示出根据一个实施例的对光信号进行移相的示例性方法800。方法800可以与本文公开的其他实施例(例如，图1的装置100或图5的装置500)结合使用。
方法800开始于框805，在框805处，在光波导的第一端处接收光信号，该光波导形成于半导体层中并沿第一轴延伸。第一光信号具有第一相位。
在框815处，在光波导的与第一端相对的第二端处发送经修改的光信号。经修改的光信号具有不同于第一相位的第二相位。在一些实施例中，发送经修改的光信号包括在远离第一轴形成于半导体层中的第一接触区域和第二接触区域之间施加电压信号。施加电压信号沿光波导的尺寸传导电流，以引起对光波导的电阻加热。在一些实施例中，尺寸是光波导的宽度。在其他实施例中，尺寸是光波导的长度。在框815完成之后，方法800结束。
总而言之，实施例包括用于对光信号进行移相的方法和相关联的装置。特定的方法包括在形成于半导体层中并沿第一轴延伸的光波导的第一端接收具有第一相位的光信号。该方法还包括在光波导的与第一端相对的第二端处发送具有第二相位的经修改的光信号，其中第二相位不同于第一相位。发送经修改的光信号包括：在远离第一轴形成于半导体层中的第一接触区域和第二接触区域之间施加电压信号。施加电压信号使得电流沿光波导的尺寸被传导。电流引起光波导的电阻加热以及第一相位和第二相位之间的期望相移。
在前文中，参考了本公开中提出的实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。替代地，可以考虑所描述的特征和元素的任何组合(无论是否与不同的实施例相关)，以实现和实践所设想的实施例。此外，尽管本文公开的实施例可以实现优于其他可能的解决方案或优于现有技术的优点，但是特定的优点是否通过给定的实施例来实现并不限制本公开的范围。因此，除非在(一项或多项)权利要求中明确叙述，否则前述方面、特征、实施例、和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求的要素或限制。
鉴于前述内容，本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
光波导，形成在半导体层中；
第一接触区域，形成在所述半导体层中并与所述光波导相交；以及
第一光学过渡区域，在所述光波导和所述第一接触区域之间延伸，
其中，所述第一接触区域与所述第一光学过渡区域电耦合，并且被配置为沿所述光波导的尺寸传导电流，以将电阻加热施加到所述光波导。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光波导在所述半导体层中沿第一轴延伸，并且
其中，所述第一接触区域在所述半导体层中沿第二轴延伸，所述第二轴基本上垂直于所述第一轴。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一光学过渡区域在所述光波导与所述第一接触区域之间限定线性的锥度。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一光学过渡区域在所述光波导与所述第一接触区域之间限定弯曲的锥度。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一光学过渡区域包括与所述光波导重叠的第一椭圆，其中，所述第一椭圆具有与所述第一轴对齐的长轴以及与所述第二轴对齐的短轴。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述长轴与所述短轴的比率为约4：1。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述第一接触区域具有第一掺杂水平，所述第一掺杂水平大于所述光波导的第二掺杂水平。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一接触区域与第一金属接触件耦合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，电流在所述光波导的宽度上被传导。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括：
第二接触区域，形成在所述半导体层中并与所述光波导相交；以及
第二光学过渡区域，在所述光波导和所述第二接触区域之间延伸，
其中，在所述第一接触区域和所述第二接触区域之间施加电压信号导致电流沿所述光波导的长度被传导。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述光波导的长度被选择为提供期望的电阻用于所述电阻加热。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，还包括：
基底层；以及
介电层，至少部分地被设置在所述半导体层和所述基底之间，
其中，所述基底层限定去除的区域，所述去除的区域与以下各项中的至少一者重叠：所述光波导、所述第一接触区域、和所述第一光学过渡区域。
13.一种装置，包括：
光波导，形成在半导体层中并沿第一轴延伸，所述光波导具有第一掺杂水平；以及
第一接触区域和第二接触区域，远离所述第一轴形成在所述半导体层中，其中所述第一接触区域和所述第二接触区域各自具有相应的第二掺杂水平，所述第二掺杂水平大于所述第一掺杂水平，
其中，响应于施加在所述第一接触区域和所述第二接触区域之间的电压信号，电流沿所述光波导的尺寸被传导，并且
其中，对所述光波导进行电阻加热是通过所述电流提供的。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述光波导限定远离所述第一轴延伸的第一光学过渡区域，并且
其中，所述第一接触区域与所述第一光学过渡区域电耦合。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二接触区域与所述第一光学过渡区域电耦合。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的装置，其中，所述第一接触区域和所述第二接触区域中的每一者沿相应的第二轴延伸，所述第二轴基本上垂直于所述第一轴。
17.一种方法，包括：
在光波导的第一端处接收具有第一相位的光信号，所述光波导形成于半导体层中并沿第一轴延伸；以及
在所述光波导的与所述第一端相对的第二端处发送具有第二相位的经修改的光信号，其中所述第二相位不同于所述第一相位，
其中，发送经修改的光信号包括：
在第一接触区域和第二接触区域之间施加电压信号，所述第一接触区域和所述第二接触区域远离所述第一轴形成于所述半导体层中，其中施加电压信号导致电流沿所述光波导的尺寸被传导，其中所述电流导致对所述光波导进行的电阻加热以及所述第一相位和所述第二相位之间的期望相移。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光波导限定远离所述第一轴延伸的第一光学过渡区域，并且
其中，所述第一接触区域与所述第一光学过渡区域电耦合。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第二接触区域与所述第一光学过渡区域电耦合。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，所述第一接触区域和所述第二接触区域中的每一者沿相应的第二轴延伸，所述第二轴基本垂直于所述第一轴。
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