CN111856791B - 基于模式滤波器的硅基磁光隔离器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器，包括模式滤波器以及法拉第旋光器，模式滤波器采用嵌入透明导电氧化物层的条形硅波导结构，法拉第旋光器采用条形磁光材料结构；正向传输的横电场模的输入信号从模式滤波器输入，在通过模式滤波区之后，进入法拉第旋光器并实现45°的偏振旋转后输出；被反射的反向传输光从法拉第旋光器输入，进入法拉第旋光器沿原方向继续旋转45°，共旋转90°后反向传输光由横电场模变为了横磁场模，进入模式滤波器的滤波区时，被透明导电氧化物层损耗，从而实现了反向传输光的隔离。本发明具有隔离度高，插入损耗低，器件尺寸小，易于CMOS集成等特点。

Description

基于模式滤波器的硅基磁光隔离器及制备方法
技术领域
本发明涉及硅基光电子学集成技术领域，具体涉及一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器。
背景技术
随着信息时代的发展，为了更好地满足其“爆炸式增长”的信息传输需要，对于光纤通信模块、链路和系统的性能要求也在逐步提升。在光路中，由于种种原因会产生与正向传输光方向相反的反射光，例如当光耦合进入光纤时，由于连接器和熔接点的存在，将会在这些端面和点处产生与原传输方向相反的反射光。反射波的光子回到器件之中时，其与半导体材料进行二次作用，干扰了发光材料的正常载流子分布，导致光路系统间产生自耦合效应和自激励效应，造成其他波长和模式光的产生，破坏传输稳定性并给器件带来各种不良影响：对于直调激光器，反射波会给激光带来啁啾，导致光源信号的剧烈波动，从而导致调制带宽下降，十分不利于高速信号的长距离传输，严重时甚至会烧毁激光器；对于光纤放大器，反射波的存在会增加噪声强度，从而使传输信噪比降低；对于模拟信号传输系统，本身抗电磁波干扰能力就较差，反射波会严重影响通信质量；对于相干光通信系统而言，反射波会增加载波信号的光谱宽度并带来频率漂移，使系统无法满足外差法的条件从而不能正常工作。
光隔离器是使光信号只允许沿一个方向传播并能阻挡反射光的器件，又叫光单向器，类似于电路中的“二极管”，能够用来防止光路中由于各种原因产生的反射光给正向传输光带来的不良影响。因此光通信系统需要在这些端口处加入隔离器，这样能够有效地稳定系统的正常工作，从而保证信号的传输质量。衡量光隔离器性能的指标包括插入损耗、反向隔离度、回波损耗、3dB隔离度带宽、通带带宽、偏振相关损耗、温度特性等，为了能够使光隔离器在系统中发挥更好的效果，高反向隔离度、高工作带宽、高回波损耗、高稳定性和可靠性、低插入损耗等特性是光隔离器的主要发展方向。
近年来硅基光电子学的进步，绝缘层上硅(SOI)波导出现，使光电子器件正朝着小型化、集成化的方向发展，更让人们看到了光通讯系统在片上集成方面的发展前景，实现光电融合这一目标指日可待。但由于缺乏一种有效且实用的光隔离器的集成方法，目前复杂的有源器件在光子集成芯片上的集成也受到了阻碍。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器及制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器，其包括：
模式滤波器，采用包括透明导电氧化物层的条形硅波导结构，所述模式滤波器沿长度方向分为第一端口、模式滤波区和第二端口；以及
法拉第旋光器，沿长度方向设置有第三端口和第四端口；
其中，从所述模式滤波器的第一端口输入正向传输的横电场模的输入信号，通过模式滤波区后从所述第二端口输出，然后进入所述法拉第旋光器的第三端口，在法拉第旋光器中实现45°的偏振旋转后从所述第四端口输出；
反射回来的反向传输光从所述第四端口输入，在法拉第旋光器中沿原方向继续旋转45°，从第三端口输出进入模式滤波器的第二端口，进入模式滤波器的滤波区时，横磁场模将极大被衰减，从而实现了反向传输光的隔离。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种硅基磁光隔离器的制备方法，包括以下步骤：
在SOI硅片上刻蚀形成条形硅波导结构；
通过二次光刻及刻蚀过程形成模式滤波器区域；
在上述刻蚀波导结构上沉积透明导电氧化物层；
外延生长一层硅薄膜；
在模式滤波器区顶层沉积透明导电氧化物层，在条形硅波导结构后端沉积铁石榴石薄膜，用于制备磁光偏振的法拉第旋光器；
沉积一层SiO2薄膜作为器件上包层。
作为本发明的再一个方面，还提供了一种光子集成芯片，其中，所述光子集成芯片中包括如上所述的硅基磁光隔离器。
基于上述技术方案可知，本发明的硅基磁光隔离器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1、高隔离度。本发明在硅条形波导内部嵌入并在上方覆盖了透明导电氧化层，当其电子浓度增加至某一程度时，材料色散逐渐增强并且介电常数实部与虚部表现出相反的变化行为，若介电常数实部在1.55μm波长处已趋于0，而虚部大幅度增加时，可带来极高的吸收损耗。在这种情形之下，对于横电场(TE)模和横磁场(TM)模的限制因子不同，TE模与导电氧化层的互作用非常弱，所以它在条形波导中的传输行为将基本不受影响，但TM模的模场分布将在电子积累层中得到显著增强并伴有极高的吸收损耗，对应于在纳米尺度范围内光一物质互作用及吸收损耗将达到峰值，最终使得横磁场模产生了巨大的模式衰减效应。正向的TE模经过法拉第旋光器一次，使得其偏振方向旋转45°，而当有该种偏振方向的光由从器件末端或后端其他位置反射回来时，需要再一次进入法拉第旋光器，由于其介电常数的非互易性，导致反射光的偏振方向沿原旋转方向继续旋转45°，使其最终变为与初始偏振的TE模偏振方向相差90°的TM模，此时再沿反向传输方向进入模式滤波器，将被模式滤波器极大地损耗，从而无法返回该器件的正向传输光入口，实现较大程度的光隔离；
2、尺寸小、插入损耗低。在前述基础上，透明导电氧化层如采用ITO长度为4.5μm，此长度下插入损耗仅为0.2dB；而磁光材料如采用Ce：YIG，其法拉第旋光系数为-4500°/cm，损耗系数为40dB/cm，45°所需长度为100μm，损耗为0.4dB。因此器件总损耗约为0.6dB，器件的整体尺寸较小，利于实现片上的紧凑型设计与密集集成；
3、易于CMOS集成。本发明是基于条形硅波导结构设计的硅基集成器件，其中硅波导的尺寸现有标准的波导刻蚀技术可以较容易实现；其中的透明导电氧化层、磁光材料层可以通过薄膜沉积、射频溅射等后工艺技术实现。总体来说与现有CMOS工艺具有高度兼容性，易于进行CMOS集成。
附图说明
图1为本发明的硅基磁光隔离器的结构示意图；
图2为本发明的硅基磁光隔离器的横截面图与主视图；
图3为本发明的硅基磁光隔离器的制造流程图；
上图中，附图标记含义如下：
1、条形硅波导，2、嵌入透明导电氧化物层，3、覆盖透明导电氧化物层，4、法拉第旋光器，5、衬底，6、上包层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器，包括模式滤波器以及法拉第旋光器，其中：
模式滤波器，采用包括透明导电氧化物层的条形硅波导结构，所述模式滤波器沿长度方向分为第一端口、模式滤波区和第二端口；以及
法拉第旋光器，沿长度方向设置有第三端口和第四端口；
其中，从所述模式滤波器的第一端口输入正向传输的横电场模的输入信号，通过模式滤波区后从所述第二端口输出，然后进入所述法拉第旋光器的第三端口，在法拉第旋光器中实现45°的偏振旋转后从所述第四端口输出；
反射回来的反向传输光从所述第四端口输入，在法拉第旋光器中沿原方向继续旋转45°，从第三端口输出进入模式滤波器的第二端口，进入模式滤波器的滤波区时，横磁场模将极大被衰减，从而实现了反向传输光的隔离。
作为优选，所述条形硅波导为矩形波导；
所述条形硅波导的宽度为400-2000nm，厚度为400-2000nm，长度为0.5-10μm，优选地，所述条形硅波导的宽度为500nm，厚度为220nm，长度为5.5μm。
作为优选，所述透明导电氧化物层是嵌入并包覆所述条形硅波导结构中，其中嵌入所述条形硅波导结构的透明导电氧化物层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种；
作为优选，所述透明导电氧化物层的厚度为20-200nm，宽度为400-2000nm，位于硅波导层的中心，长度为1.5-9μm，所述透明导电氧化物层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构几何尺寸。
作为优选，所述条形硅波导结构中上层覆盖的透明导电氧化层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种；
作为优选，所述上层覆盖的透明导电氧化层的厚度为50-400nm，宽度为400-2000nm，长度为1.5-9μm，该层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构几何尺寸。
作为优选，所述嵌入波导的透明导电氧化物层与硅波导上层覆盖的透明导电氧化物层位于条形硅波导的中央，且两个透明导电氧化物层的两端对齐，并与条形硅波导结构宽度相等，高度方向对齐。
作为优选，所述法拉第旋光器采用磁致旋光材料，为掺有稀土元素的铁石榴石条形结构；
作为优选，所述掺有稀土元素的铁石榴石选自钇铁石榴石(Ce：YIG)或铋铁石榴石(Bi：YIG)中的一种，其长度根据磁光材料的旋光性能决定。
本发明还公开了一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器的制备方法，包括以下步骤：
在SOI硅片上刻蚀形成条形硅波导结构；
通过二次光刻及刻蚀过程形成模式滤波器区域；
在上述刻蚀波导结构上沉积透明导电氧化物层；
外延生长一层硅薄膜；
在模式滤波器区顶层沉积透明导电氧化物层，在条形硅波导结构后端沉积铁石榴石薄膜，用于制备磁光偏振的法拉第旋光器；
沉积一层SiO2薄膜作为器件上包层。
作为优选，所述条形硅波导为矩形波导；
作为优选，所述条形硅波导，宽度为400-2000nm，厚度为400-2000nm，长度为0.5-10μm，优选地，所述条形硅波导的宽度为500nm，厚度为220nm，长度为5.5μm；
作为优选，嵌入所述条形硅波导的透明导电氧化物层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种；其厚度为20-200nm，宽度为400-2000nm，位于硅波导层的中心，长度为1.5-9μm，该层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构几何尺寸；进一步优选地，所述透明导电氧化物层的厚度为20nm，宽度为500nm，位于220nm波导层的中心，长度为4.5μm；
作为优选，所述条形硅波导上层覆盖的透明导电氧化层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种；其厚度为50-400nm，宽度为400-2000nm，长度为1.5-9μm，所述透明导电氧化物层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构几何尺寸，进一步优选地，所述上层覆盖的透明导电氧化层的厚度为50nm，宽度为500nm，长度为4.5μm；
作为优选，所述嵌入波导的透明导电氧化物层与硅波导上层覆盖的透明导电氧化物层位于条形硅波导的中央，且两个透明导电氧化层的两端对齐，并与条形硅波导结构宽度相等，高度方向对齐。
作为优选，所述法拉第旋光器采用磁致旋光材料，为掺有稀土元素的铁石榴石条形结构；
作为优选，掺有稀土元素的铁石榴石选自钇铁石榴石(Ce：YIG)或铋铁石榴石(Bi：YIG)中的一种，其长度根据磁光材料的旋光性能决定。
本发明还公开了一种光子集成芯片，其中所述光子集成芯片中包括如上所述的硅基磁光隔离器。
经过试用证明，本发明的硅基磁光隔离器具有隔离度高，插入损耗低，器件尺寸小，易于CMOS集成等特点。
下面通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述说明。
实施例1
如图1所示，本发明包括模式滤波器以及法拉第旋转器，模式滤波器采用嵌入并覆盖透明导电氧化物层的条形硅波导结构，法拉第旋光器采用磁致旋光材料掺有稀土元素的铁石榴石条形结构；所述模式滤波器沿长度方向分为端口1(即第一端口)、模式滤波区，以及端口2(即第二端口)；法拉第旋转器沿长度方向分为端口1(即第三端口)和端口2(即第四端口)；
包括正向传输的横电场模的输入信号从所述的模式滤波器的端口1输入，在进入模式滤波区之后，从端口2输出，并进入法拉第旋光器的端口1，在法拉第旋光器中实现45°的偏振旋转后从端口2输出；反射回来的反向传输光从法拉第旋光器的端口2输入，在法拉第旋光器中沿原方向继续旋转45°，共旋转90°后反向传输光由之前的横电场模变为了横磁场模，从法拉第旋光器的端口1输出进入模式滤波器的端口2，进入模式滤波器的滤波区时，由于纵向放置的透明导电氧化物层将横磁场模强烈地限制在其电子积累层之中，因此在较高的吸收损耗下横磁场模将极大被衰减，只有较少功率的横磁场模会沿硅波导方向传输到模式滤波器的端口1，从而实现了反向传输光的隔离。
具体的，本实施例的基于模式滤波器的硅基磁光隔离器，其模式滤波器部分横截面如图2所示，所述条形硅波导1为矩形波导，宽度为500nm，厚度为220nm，长度为5.5μm；嵌入到条形硅波导中的嵌入透明导电氧化物层2采用铟锡氧化物(ITO)，其厚度为20nm，宽度为500nm，位于220nm条形硅波导层的中心，长度为4.5μm；条形硅波导上层覆盖的覆盖透明导电氧化物层3采用铟锡氧化物(ITO)，其厚度为50nm，宽度为500nm，长度为4.5μm；法拉第旋光器4采用磁光材料，稀土元素掺杂的铁石榴石如钇铁石榴石(Ce：YIG)、铋铁石榴石(Bi：YIG)等，长度根据磁光材料的旋光性能决定。
进一步的，本实施例的基于模式滤波器的硅基磁光隔离器中，所述条形硅波导1沿长度方向被分为3段，其中长度为4.5μm的嵌入波导的嵌入透明导电氧化物层2与条形硅波导1上层覆盖的覆盖透明导电氧化物层3位于长为5.5μm的条形硅波导1的中央，且两个透明导电氧化物层2、3的两端对齐，并与条形硅波导1宽度相等，高度方向对齐。
图3为本器件的工艺制造流程。首先，通过深紫外光刻或电子束光刻及感应耦合等离子体刻蚀技术在SOI硅片(衬底5)上形成宽度为500nm的条形硅波导1；然后通过二次光刻及刻蚀过程形成长度为4.5μm的模式滤波器区域，其中波导刻蚀深度为120nm。接下来，在上述刻蚀波导结构上沉积厚度为20nm的嵌入透明导电氧化物层2，采用原子层沉积与磁控溅射技术，随后外延生长一层厚度为100nm的硅薄膜，至此模式滤波器波导层厚度已与输入和输出硅波导厚度一致。之后，在模式滤波器区顶层沉积厚度为50nm的覆盖透明导电氧化物层3，在条形硅波导1后端沉积稀土元素掺杂的铁石榴石薄膜，用于磁光偏振旋光器(法拉第旋光器4)。最后，利用等离子增强化学气相沉积技术沉积一层较厚的SiO2薄膜作为器件上包层6。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器，其特征在于，包括：
模式滤波器，采用包括透明导电氧化物层的条形硅波导结构，所述模式滤波器沿长度方向分为第一端口、模式滤波区和第二端口；以及
法拉第旋光器，沿长度方向设置有第三端口和第四端口；
其中，从所述模式滤波器的第一端口输入正向传输的横电场模的输入信号，通过模式滤波区后从所述第二端口输出，然后进入所述法拉第旋光器的第三端口，在法拉第旋光器中实现45°的偏振旋转后从所述第四端口输出；
反射回来的反向传输光从所述第四端口输入，在法拉第旋光器中沿原方向继续旋转45°，从第三端口输出进入模式滤波器的第二端口，进入模式滤波器的滤波区时，横磁场模将极大被衰减，从而实现了反向传输光的隔离；
所述透明导电氧化物层嵌入并包覆所述条形硅波导结构，其中嵌入所述条形硅波导结构的第一透明导电氧化物层与覆盖在所述条形硅波导结构的上层的第二透明导电氧化物层位于所述条形硅波导结构的中央，且所述第一透明导电氧化物层与所述第二透明导电氧化物层的两端对齐，并与所述条形硅波导结构宽度相等，高度方向对齐。
2.根据权利要求1所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述条形硅波导结构为矩形波导；
所述条形硅波导结构的宽度为400-2000nm，厚度为400-2000nm，长度为0.5-10μm。
3.根据权利要求1所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述条形硅波导结构的宽度为500nm，厚度为220nm，长度为5.5μm。
4.根据权利要求1所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述第一透明导电氧化物层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种。
5.根据权利要求4所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述第一透明导电氧化物层的厚度为20-200nm，宽度为400-2000nm，长度为1.5-9μm，所述第一透明导电氧化物层的厚度、宽度与长度均取决于所述条形硅波导结构的几何尺寸。
6.根据权利要求4所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述第二透明导电氧化物层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种。
7.根据权利要求4所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述第二透明导电氧化物层的厚度为50-400nm，宽度为400-2000nm，长度为1.5-9μm，所述第二透明导电氧化物层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构的几何尺寸。
8.根据权利要求1所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述法拉第旋光器采用磁致旋光材料，为掺有稀土元素的铁石榴石条形结构。
9.根据权利要求8所述的硅基磁光隔离器，其特征在于，所述掺有稀土元素的铁石榴石选自钇铁石榴石(Ce：YIG)或铋铁石榴石(Bi：YIG)中的一种，其长度根据磁光材料的旋光性能决定。
10.一种基于模式滤波器的硅基磁光隔离器的制备方法，包括以下步骤：
在SOI硅片上刻蚀形成条形硅波导结构；
通过二次光刻及刻蚀过程形成模式滤波器区域；
在上述刻蚀形成的条形硅波导结构上沉积透明导电氧化物层；
外延生长一层硅薄膜；
在模式滤波器区顶层沉积透明导电氧化物层，在条形硅波导结构后端沉积铁石榴石薄膜，用于制备磁光偏振的法拉第旋光器；
沉积一层SiO2薄膜作为器件上包层。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述条形硅波导结构为矩形波导；
所述条形硅波导结构的宽度为400-2000nm，厚度为400-2000nm，长度为0.5-10μm。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，嵌入所述条形硅波导结构的第一透明导电氧化物层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种；其厚度为20-200nm，宽度为400-2000nm，位于所述条形硅波导结构的中心，长度为1.5-9μm，所述第一透明导电氧化物层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构的几何尺寸。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述第一透明导电氧化物层的厚度为20nm，宽度为500nm，长度为4.5μm。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，覆盖在所述条形硅波导结构上层的第二透明导电氧化层的材质选自铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)中的一种；其厚度为50-400nm，宽度为400-2000nm，长度为1.5-9μm，所述第二透明导电氧化物层的厚度、宽度与长度均取决于条形硅波导结构的几何尺寸；
第一透明导电氧化物层与第二透明导电氧化物层位于所述条形硅波导结构的中央，且所述第一透明导电氧化物层和第二透明导电氧化物层的两端对齐，并与条形硅波导结构宽度相等，高度方向对齐。
15.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述法拉第旋光器采用磁致旋光材料，为掺有稀土元素的铁石榴石条形结构。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，掺有稀土元素的铁石榴石选自钇铁石榴石(Ce：YIG)或铋铁石榴石(Bi：YIG)中的一种，其长度根据磁光材料的旋光性能决定。
17.一种光子集成芯片，其特征在于，所述光子集成芯片中包括如权利要求1～9任一项所述的硅基磁光隔离器。
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