CN111492583A - 集成光学开关 - Google Patents

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Abstract

一种集成光学开关，其形成在半导体衬底中和在半导体衬底上，该集成光学开关包括光电导体体部(PC)，光电导体部(PC)包括第一端(1)和第二端(2)，第一端(1)被配置为接收电输入信号，该第二端(2)被配置为递送电输出信号，光电导体部(PC)具有通过存在光学信号(SO)激活的电接通状态、以及通过不存在光学信号(SO)激活的电关断状态，其中从第一端到第二端的方向限定了纵向方向(D3)，并且光电导体部具有与纵向方向(D3)正交的横截面，该横截面沿纵向方向(D3)从第一端(1)向第二端(2)逐渐减小。

Description

集成光学开关
技术领域
本发明的实施例涉及开关设备，例如但不限于在模数转换设备中使用的开关设备，特别是涉及在采样保持电路中使用的开关设备。
背景技术
采样保持电路是这样的设备，该设备对模拟信号进行采样、并且周期性地将该模拟信号的值保持在恒定的水平上一段确定的时间。
出于该目的，采样保持电路可以例如包括开关，该开关由周期性脉冲信号控制并且被耦合到电容性元件，并且该开关被配置为接收待采样的模拟信号作为输入，以及递送经采样的信号作为输出。
常规地，周期脉冲信号由电子时钟信号生成器生成。
在这种类型的信号中，通常会观察到抖动(jitter)现象，抖动现象对应于在所生成的信号的脉冲与考虑到时钟信号生成器的理论频率而应当观察到的理论脉冲之间的时间偏移。特别地，抖动可能是由电磁干扰引起的，并且可能导致数据传输中的错误。
例如，可能观察到在生成信号的某些脉冲与相同频率的理论信号之间的50飞秒量级的变化。
该问题的一种解决方案包括使用脉冲光学信号，例如，该脉冲光学信号由激光器发射，并且被传输给光电导体体部，光电导体体部的电阻率的变化由光学信号来计时。取决于所使用的激光器，该解决方案可能使抖动现象减少为五分之一。
然而，这种类型的开关表现出关断状态中的光电导体的电阻率与接通状态中的光电导体的电阻率不佳的比率，而这导致开关损失效率。
发明内容
因此，根据一个实施例，提供了一种开关，该开关例如可以在采样保持电路中被使用，其表现有限的抖动效应，并且具有关断状态中的电阻率与在接通状态中的电阻率的高比率。
根据一方面，提供了一种集成光学开关，其在半导体衬中和在半导体衬底上制造，该集成光学开关包括光电导体体部，光电导体体部包括第一端和第二端，该第一端被配置为接收电输入信号，该第二端被配置为递送电输出信号，光电导体体部具有通过存在光学信号来激活的电接通状态、以及通过不存在光学信号来激活的电关断状态，其中从第一端到第二端的方向限定了纵向方向。
光电导体体部具有沿纵向方向从第一端向第二端逐渐减小的、与纵向方向正交的横截面。
发明人已经观察到光电导体体部的电阻率的降低特别取决于所吸收的光子的数量。此外，由于所吸收的光子数目沿光电导体体而减少，所以由光学信号照射的恒定横截面光电导体体部表现出不均匀的电阻率，并且更具体地，该电阻率在第一和第二端之间增加。
因此，逐渐减小光电导体体部的截面使得能够补偿这种电阻率增加，并且因此降低导通状态中的光电导体体部的电阻。光电导体体部在接通状态中的电阻率与在关断状态中的电阻率的比率因此被改进。
根据一个实施例，该横截面具有沿第一方向呈现的第一尺寸(例如其宽度)，以及沿与第一方向正交的第二方向呈现的第二尺寸(例如其高度)，并且光电导体体部的横截面的第一尺寸逐渐减小，而第二尺寸保持恒定。
换言之，可以仅变化光电导体体部的宽度，其高度保持恒定。
如上文所提及的，第一尺寸可以是横截面的宽度，该横截面的宽度平行于衬底的上表面测量，并且第二尺寸可以是横截面的高度，该横截面的高度垂直于衬底的上表面测量。
光电导体体部的第一尺寸可以沿包络阶梯式地减小，该包络在纵向方向上随相对于第一端的距离线性而线性地减小。
阶梯式地减小有利地使得能够使用常规CMOS制备工艺来制造该设备。
光电导体体部的第一尺寸可以沿包络阶梯式地减小，该包络在纵向方向上随相对于第一端的距离而指数地减小。
发明人还观察到沿光电导体体部所吸收的光子数目呈指数减少。光电导体体部的宽度指数地减小，使得光电导体体部的形状能够适合在光电导体体部上的给定位置处所吸收的光子的数目，并且从而改进导通状态中的沿光电导体体部的电阻率的均匀性。接通状态中的电阻率与在关断状态中的电阻率的比率因此进一步被改进。
根据一个实施例，光电导体体部的包络的第一尺寸随如下项的乘积而指数地减小：光电导体体部的吸收系数和相对于在纵向方向上相对于第一端的距离。
材料的吸收系数是当该材料被照射时，所吸收的光子数目与未被吸收的光子数目或入射光子数目的比率。这种比率因材料而异。
因此，光电导体体部的形状被进一步适配于光子吸收率，光子吸收率取决于光电导体体部的材料的吸收系数。
光电导体体部可以包括多个并置部分，该多个并置部分沿着纵向方向被布置在第一端和第二端之间，该部分被配置为使得在第一方向上测量的该部分相应横截面的第一尺寸随所述阶梯而减小。
光学信号可以在第一端处被递送，并且旨在沿纵向方向传播。
根据一个实施例，该衬底是绝缘体上硅衬底，该衬底包括在掩埋绝缘层上制造的半导体膜，掩埋绝缘层是在载体衬底上制造的，并且第一方向与掩埋绝缘层平行，并且第二方向与掩埋绝缘层正交，并且光电导体体部是在半导体膜中制造的。
根据另一方面，提供了集成电子电路，该集成电子电路包括至少一个诸如上文所描述的光学开关。
该集成电子电路可以是采样保持电路。
附图说明
根据检查本发明的完全非限制性实施例和附图的详细描述，本发明的其它优点和特征将会变得明显，其中：
-图1至图6示出了本发明的实施例。
具体实施方式
图1示意性地图示了根据一个实施例的光学开关DIS。
光学开关DIS被耦合到脉冲光学信号SO生成器LS(例如此处的激光器)，生成器LS被配置为将脉冲光学信号SO递送到开关DIS，此处，开关DIS包括光电导体体部PC。
脉冲光学信号SO可以在此处取两个值，其包括第一值和第二值，第一值例如是对应于光脉冲的生成的非零值，此处，该光脉冲是波长为1550nm的光脉冲，第二值例如是对应于不存在光脉冲的零值。
此处呈现的设备与从1200nm至1600nm的光学信号波长范围兼容，该值的范围取决于被用来制造光电导体体部PC的材料。
开关DIS被配置为处于电接通状态或者电关断状态，电接通状态通过存在光脉冲来激活)，电关断状态通过不存在光脉冲来激活。
换言之，开关DIS被配置为利用脉冲光学信号SO的脉冲及时(in time)地开关。
如图2和图3中所图示的，图3是沿图2的剖面线III-III的横截面，光电导体体部PC在半导体衬底S(例如此处是硅)中制造，并且光电导体体部PC包括光电导体材料(例如此处是锗)。
光电导体体部也可以使用另一材料(例如硅)来制造。在这种情况下，光学信号SO的波长应被包括在600nm和1000nm之间。
例如此处，开关DIS在集成光子电路内制造，并且半导体衬底S是在掩埋绝缘层30(如所熟知的，BOX，例如氧化硅)的顶部上制造的半导体膜，掩埋绝缘层30本身在载体衬底31上制造。半导体膜S-掩埋绝缘层30-载体衬底31组件形成在绝缘体上硅(SOI)衬底。衬底S通常由互连部分32覆盖，该互连部分32包括允许电路被连接的部件的各种金属层和过孔。
此处，光电导体体部PC的横截面在具有第一尺寸或宽度，其沿第一方向D1而呈现，以及第二尺寸或高度，其沿与第一方向D1正交的第二尺寸D2而呈现。光电导体体部具有第三尺寸或长度，其沿着从光电导体体部PC的第一端1到光电导体体部PC的第二端2的纵向方向D3而呈现。
光电导体体部PC的长度在此处是30μm，第一端1具有初始宽度L1(例如，此处是15μm)，第二端2具有最终宽度L2(例如，此处是4μm)。
具体地，光电导体体部PC的横截面沿纵向方向D3从第一端1向第二端2逐渐地减小。在该示例中，仅光电导体体部的横截面的宽度减小，而其横截面的高度保持恒定。术语“逐渐”被理解为意指光电导体体部的横截面的宽度沿着包络(envelope)减小，如将在下文见到的，该包络的宽度在第一端1和第二端2之间有规律地减小。
更具体地，光电导体体部PC在此处包括多个并置部分p，多个并置部分p中的每个并置部分p的宽度是恒定的，但小于先前的并置部分p的宽度(从端1开始)。出于附图清楚的目的，仅某些部分p被标记。
因此，光电导体体部PC不具有连续的边缘b1和b2，这有利地使得使用常规制备工艺来制造光电导体体PC成为可能。
光电导体体部PC的边缘b1和b2中的每个边缘是阶梯形的，并且利用0.6μm的级高(rise)Δ而阶梯式地减小。
由于在每个阶梯之间的级高Δ和每个部分p的长度是恒定的，所以光电导体体部PC的包络E的宽度线性地减小。
因此，每个部分p与其每个相邻部分的宽度差是1.2μm，并且所有的部分都围绕对称轴线Ax而对中，对称轴线Ax与纵向方向D3共线。
常规地，单独地被呈现的每个部分p具有其尺寸成比例的电阻率；因此，光电导体体部PC的电阻率随着在纵向方向D3上距第一端1的距离增加而减小。
第一系列的电接触区域z1沿着光电导体体部PC的第一边缘b1制造，并且第二系列的接触区域z2沿着光电导体体部的第二边缘b2制造。
系列z1和z2的电接触区域通过掺杂和硅化光电导体体部PC的一部分而常规地制造，并且每个电接触区域都被配置为分别接收第一系列的电接触c1和第二系列的电接触c2(例如，被耦合到集成电路CI的互连部分的金属轨道的钨柱)。
第一系列的电接触c1形成开关DIS的输入，并且被配置为接收射频电信号或电输入信号。第二系列的电接触c2形成开关DIS的输出，并且被配置为递送射频电信号或电输出信号。
脉冲光学信号SO生成器LS被配置为在第一端1处在纵向方向D3上递送脉冲光学信号SO，出于简化的目的，脉冲光学信号SO生成器LS在图2和图3中未示出。
在脉冲光学信号SO的脉冲期间，即，当光电导体体部PC被照射时，光电导体体部PC的电阻率与所吸收的光子数量成比例地减小。因此，在接收到光学信号SO的脉冲时，光电导体体部转换为导电状态，并且射频信号可以在第一系列的接触c1和第二系列的接触c2之间流动。
由于所吸收的光子数目沿光电导体体部PC减少，所以电阻率的减小将在第一部分p1处最大，在最后部分p2处最小。
因此，由于部分p的尺寸(此处是宽度)，并且因此它们的电阻率沿光电导体体部PC减小，所以较少光子被部分p所吸收对电阻率的影响将通过其尺寸的减小而被部分地补偿。
在光学信号的脉冲SO的接收期间，沿光电导体体部PC的电阻率因此比具有恒定宽度的光电导体体部的电阻率更均匀，并且开关DIS在关断状态中的电阻率与其在接通状态中的电阻率的比率也较高，因此开关的性能较好。
包络E中的线性减小构成对光子吸收的减少的可接受的近似。因此，光子的吸收随在纵向方向D3上相对于第一端1的距离而指数地减小，并且特别地取决于光电导体体部PC的材料的吸收系数。
因此，如在图4中所图示的，开关可以有利地包括光电导体体部PC，该光电导体体部PC的宽度沿着包络E阶梯式地减小，包络E的宽度根据在纵向方向D3上相对于第一端1的距离、以及根据光电导体体部PC材料(此处为锗)的吸收系数α而指数地减小。
光电导体体部的每个部分p的宽度在此处根据等式(I)来限定：
L＝L1*e-αx (I)
其中，L是所考虑部分的宽度，L1是在第一端1处横截面的宽度，x是所考虑部分相对于第一端1的距离，并且α是光电导体体部PC的吸收系数。
取决于所使用的材料和用于制备集成电路CI的技术，存在针对两个连续部分p之间的级高Δ的通过蚀刻可达到的最小阈值。
例如此处，针对级高Δ的最小阈值是0.6μm。
因此，有利的是在光电导体体部的每个部分p之间保持固定的级高Δ，并且变化每个部分p的长度以观察到由等式(I)所确定的几何结构。
部分的长度因此随着在第二方向D2上相对于第一端1的距离而增加。
因此，由于每个部分p的尺寸特别适合于其易于吸收的光子的数目，所以沿光电导体体部PC的电阻的均匀性被进一步改进。
由于光电导体体部PC在关断状态中的电阻率与其在接通状态中的电阻率的比率更高，所以开关DIS更高效。
通过指示的方式，针对递送具有1550nm波长的光学信号的光学源LS以及具有30μm长度的光电导体体部PC，诸如结合图4所描述的开关的该比率是具有恒定尺寸的横截面的开关的相同比率高两倍。
取决于在第一端1处的宽度L1、在第二端2处的宽度L2和/或光电导体体部PC的长度，如在图5中所图示的，可以获得这样的开关，该开关具有不同数目的部分、具有不同长度以及不同级高Δ，该级高Δ高于最小阈值。
图6从电气角度示意性地示出了根据本发明的一个实施例的集成电子电路CI，该电路CI采样保持电路EB，采样保持电路EB包括开关DIS。
采样保持电路EB包括：输入端子BE，被耦合到开关的第一系列的接触c1，并且被常规地配置为接收模拟电子信号SA(例如，射频信号)；以及输出端子BS，被耦合到开关DIS的第二系列的接触c2，输出端子BS被配置为递送经采样的信号SE。
电容器C被耦合在第二系列的接触c2和地之间。
采样在此处因此利用脉冲光学信号LS的脉冲及时地被执行。开关DIS的使用使得能够减小由于抖动现象的采样误差、并且具有更高效的开关。
尽管上面结合图1至图5已经描述了在硅衬底上制造的、并且包括锗的光电导体体部PC，但是可以使用与常规制备工艺兼容的其他光电导体材料。本领域的技术人员将能够根据所设想的应用选择合适的材料。
这同样适用于脉冲光学信号SO的波长，其可以被选择以具有与结合上述实施例而呈现的值以外的值。
此外，尽管结合图6描述了被包括在采样保持电路EB中的开关DIS，但开关DIS与实现开关操作的任何类型的集成电路兼容。
尽管，为了改变光电导体体部PC的横截面，(如上述的仅改变该横截面的第一尺寸(例如，宽度)在技术上更简单，但是也可以设想改变第二尺寸(例如高度)，或者改变第一尺寸和第二尺寸二者。

Claims (12)

1.一种集成光学开关，在半导体衬底中和半导体衬底上制造，所述集成光学开关包括：光电导体体部(PC)，所述光电导体体部(PC)包括：第一端(1)和第二端(2)，所述第一端(1)被配置为接收电输入信号，所述第二端(2)被配置为递送电输出信号，所述光电导体体部(PC)被配置为具有电接通状态和电关断状态，所述电接通状态通过存在所述光学信号SO来激活，并且所述电关断状态通过不存在所述光学信号SO来激活，其中从所述第一端到所述第二端的方向限定了纵向方向(D3)，并且所述光电导体体部具有与所述纵向方向(D3)正交的横截面，所述横截面沿所述纵向方向(D3)从所述第一端(1)向所述第二端(2)减小。
2.根据权利要求1所述的开关，其中所述光电导体体部(PC)的所述横截面沿着逐渐减小的包络(E)而逐渐减小。
3.根据权利要求1或2所述的开关，其中所述横截面具有沿第一方向(D1)呈现的第一尺寸，沿与所述第一方向(D1)正交的第二方向(D2)呈现的第二尺寸，并且所述光电导体体部(PC)的所述横截面的所述第一尺寸逐渐减小，所述第二尺寸保持恒定(D1)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的开关，其中所述第一尺寸是所述横截面的宽度，所述横截面的所述宽度平行于所述衬底的上表面被测量，所述第二尺寸(D2)是所述横截面的高度，所述横截面的所述高度垂直于所述衬底的所述上表面被测量。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的开关，其中所述光电导体体部(PC)的所述第一尺寸沿所述包络(E)阶梯式地减小，所述包络(E)在所述纵向方向(D3)上随相对于所述第一端(1)的距离而线性地减小。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的开关，其中所述光电导体体部(PC)的所述第一尺寸沿所述包络(E)阶梯式地减小，所述包络(E)在所述纵向方向(D3)上随相对于所述第一端(1)的距离而指数地减小。
7.根据权利要求6所述的开关，其中所述光电导体体部(PC)的所述包络(E)的所述第一尺寸随如下项的乘积而指数地减小：所述光电导体体部(PC)的吸收系数(α)和在所述纵向方向(D3)上相对于所述第一端(1)的所述距离。
8.根据权利要求5或6所述的开关，其中所述光电导体体部(PC)包括多个并置部分(p)，所述多个并置部分(p)沿所述纵向方向(D3)被布置在所述第一端(1)和所述第二端(2)之间，所述部分(p)被配置为使得在所述第一方向(D1)上测量的所述部分(p)的相应横截面的所述第一尺寸随着阶梯而减小。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的开关，其中所述光学信号在所述第一端(1)处被递送，并且旨在沿所述纵向方向(D3)传播。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的开关，其中所述衬底(S)是绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括在所述掩埋绝缘层(30)上制造的半导体膜，所述掩埋绝缘层(30)是在载体衬底(31)上制造的，所述第一方向(D1)与所述掩埋绝缘层(30)平行，并且所述第二方向(D2)与所述掩埋绝缘层正交，并且所述光电导体体部(PC)是在所述半导体膜中制造的。
11.一种集成电子电路，包括：至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的光学开关(DIS)。
12.根据权利要求11所述的电路，所述电路是采样保持电路(EB)。
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