CN111929927A - 一种带内包围式微加热器的微环移相器 - Google Patents

一种带内包围式微加热器的微环移相器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带内包围式微加热器的微环移相器，该带内包围式微加热器的微环移相器包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、直波导、第一加热环、第二加热环、第一连接板、阳极电极、第二连接板以及阴极电极；其中，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔平行设置，直波导与第一微环谐振腔及第二微环谐振腔耦合；第一加热环从圆心方向内包围第一微环谐振腔，第二加热环从圆心方向内包围第二微环谐振腔；第一加热环、第二加热环以及阳极电极通过第一连接板连接，第一加热环、第二加热环以及阴极电极通过第二连接板连接。本发明提供的微环移相器的器件尺寸较小，移相效率较高，工作功耗较低，适用于光子集成系统。

Description

一种带内包围式微加热器的微环移相器
技术领域
本发明涉及光子集成技术领域，特别涉及一种带内包围式微加热器的微环移相器。
背景技术
随着后摩尔时代的到来，芯片尺寸的缩小和功耗的控制不再同步，电子芯片的发展受限放缓，基于光子的计算系统逐渐受到越来越多的关注。以光子在计算系统中的超高速度和超低能耗展现出极大的优势，通过光器件搭建具有计算能力的拓扑结构成为了热点。例如，用光分束、合束器和光移相器，基于相干光干涉实现的矩阵运算，将是未来全光智能计算系统中极为重要的组成部分。
利用微环谐振腔构建光学移相器，相比于直接用长直波导实现移相，有较为明显的优势，包括器件体积小、移相效率高、功耗低等，可提高光子集成芯片集成度，同时降低其功耗，对需要集成大量光器件的光学计算芯片十分有益。
目前，利用硅材料的热光效应改变波导折射率，来实现移相功能的方法，凭借其结构简单，制造方便，容易实现及稳定性强等特点，成为构建光学移相器的主流方法。公开号为CN101529312A的专利申请，提出了一种热光移相器，利用在玻璃材料中掺杂得到的材料构建牺牲层，使得移相器具有耐高温退火性；授权公告号为CN100392476C的发明专利，提出了一种热光移相器，利用聚合物材料构建光波导，降低了热光移相器的电功耗。
然而，目前现有技术中已提出的光学移相器，存在移相效率较低，工作功耗较大，尺寸较大的问题，阻碍了光子集成芯片不断紧凑化、小型化趋势，对未来光子集成芯片结构功能复杂化，集成度不断提高十分不益。
发明内容
本发明提供了一种带内包围式微加热器的微环移相器，以解决传统光学移相器，尺寸较大，移相效率较低，工作功耗较高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种带内包围式微加热器的微环移相器，所述带内包围式微加热器的微环移相器包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、直波导、第一加热环、第二加热环、第一连接板、阳极电极、第二连接板以及阴极电极；其中，
所述第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔平行设置，所述直波导与所述第一微环谐振腔及所述第二微环谐振腔耦合；所述第一加热环设置在所述第一微环谐振腔内侧，所述第二加热环设置在所述第二微环谐振腔内侧；
所述第一加热环、第二加热环以及阳极电极通过所述第一连接板连接，所述第一加热环、第二加热环以及阴极电极通过所述第二连接板连接。
所述第一加热环的外周缘设置有第一沟槽，所述第一加热环通过所述第一沟槽，从所述第一微环谐振腔的圆心沿半径向外的方向内包围所述第一微环谐振腔。
所述第二加热环的外周缘设置有第二沟槽，所述第二加热环通过所述第二沟槽，从所述第二微环谐振腔的圆心沿半径向外的方向内包围所述第二微环谐振腔。
可选地，所述第一沟槽和第二沟槽的沟槽高度为1.1um至2.3um，沟槽深度为0.8um至1.4um。
可选地，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的半径为4.9um至5.3um；所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔以及直波导的横截面宽度为0.4um至1um，高度为0.3um。
可选地，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔与所述直波导间的间距最小值为0.1um至0.2um。
可选地，所述第一加热环和第二加热环的内外边缘半径差为2um至2.4um，总高度为2.5um至3.3um。
可选地，所述第一加热环与所述第一微环谐振腔的所有边缘的间距最小值为0.6um至1um，所述第二加热环与所述第二微环谐振腔的所有边缘的间距最小值为0.6um至1um。
可选地，所述第一加热环、第二加热环、第一连接板、阳极电极、第二连接板以及阴极电极分别由导电材料制成。
可选地，所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔以及直波导分别由硅材料制成。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明提供的带内包围式微加热器的微环移相器，能够通过内包围式微加热器诱发热光效应，使硅波导折射率发生变化，实现较高效率的光学移相功能(不高于0.36V的偏置电压实现6π大小的移相，不高于0.08V的偏置电压实现2π大小的移相)，并且移相值的大小可以通过改变偏置电压任意调节。而且，内包围式微加热器的加热效率较高，能够降低移相器的功耗，在片上大量集成的情况下能显著降低光子集成芯片的功耗并减轻其散热压力。此外，本发明尺寸较小，适于集成光子学片上集成，对下一代高速、高复杂度集成光子学计算系统十分有益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的带内包围式微加热器的微环移相器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的带内包围式微加热器的微环移相器的侧视图；
图3是本发明实施例提供的器件在常温下关于输入光频率的相位变化图；
图4是本发明实施例提供的器件在偏置电压控制下工作时的模式有效折射率变化图；
图5是本发明实施例提供的器件在偏置电压控制下工作时的相位变化图。
附图标记说明：
1、第一微环谐振腔；
2、第二微环谐振腔；
3、直波导；
4、第一加热环；
5、第二加热环；
6、第一连接板；
7、阳极电极；
8、第二连接板；
9、阴极电极。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一实施例
本实施例提供了一种带内包围式微加热器的微环移相器，如图1和图2所示，该带内包围式微加热器的微环移相器包括：第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2、直波导3、第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8以及阴极电极9；其中，第一微环谐振腔1与第二微环谐振腔2二者平行设置，并与直波导3耦合，组成级联双微环双端口结构；第一加热环4设置在第一微环谐振腔1内侧，第二加热环5设置在第二微环谐振腔2内侧；第一加热环4、第二加热环5以及阳极电极7通过第一连接板6连接，第一加热环4、第二加热环5以及阴极电极9通过第二连接板8连接。
进一步地，上述第一加热环4的外周缘设置有第一沟槽，第一加热环4通过第一沟槽，从第一微环谐振腔1的圆心沿半径向外的方向内包围第一微环谐振腔1。相应地，第二加热环5的外周缘设置有第二沟槽，第二加热环5通过第二沟槽，从第二微环谐振腔2的圆心沿半径向外的方向内包围第二微环谐振腔2。
具体地，上述第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2的半径为4.9um至5.3um；第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2以及直波导3的横截面宽度为0.4um至1um，高度为0.3um；第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2与直波导3之间的间距的最小值为0.1um至0.2um，以保证光耦合效率；第一加热环4和第二加热环5的内外边缘半径差为2um至2.4um，总高度为2.5um至3.3um。
相应地，上述第一沟槽和第二沟槽的沟槽高度为1.1um至2.3um，沟槽深度为0.8um至1.4um；第一加热环4与第一微环谐振腔1的所有边缘的间距最小值为0.6um至1um，同样地，第二加热环5与第二微环谐振腔2的所有边缘的间距最小值也为0.6um至1um；从而在保证加热效率的同时，将加热环对波导的吸收损耗控制在较低水平，确保加热环对波导内光场的影响较小。
其中，上述第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8以及阴极电极9分别由高电导率材料制成，例如铜、镍镉合金等，第一加热环4和第二加热环5可以由热导率较高金属制成，例如金、银等；当然，可以理解的是，上述第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8以及阴极电极9的制作材料并不限于金、银、镍镉合金、铜等材料，对于第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8以及阴极电极9的制作材料，本实施例在此并不作具体限定。
第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2以及直波导3分别由硅材料制成，其折射率为3.47，当然，可以理解的是，上述第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2以及直波导3的制作材料并不限于硅，对于第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2以及直波导3的制作材料，本实施例在此并不作具体限定。
本实施例所提供的带内包围式微加热器的微环移相器的工作波长可以为1552.87nm或1552.98nm；当然，可以理解的是，上述带内包围式微加热器的微环移相器的工作波长并不限于1552.87nm、1552.98nm，对于工作波长，本实施例在此并不作具体限定。
综上，本实施例提供的带内包围式微加热器的微环移相器，能够通过内包围式微加热器诱发热光效应，使硅波导折射率发生变化，实现较高效率的光学移相功能(不高于0.36V的偏置电压实现6π大小的移相，不高于0.08V的偏置电压实现2π大小的移相)，并且移相值的大小可以通过改变偏置电压任意调节。内包围式微加热器的加热效率较高，能够降低移相器的功耗，在片上大量集成的情况下能显著降低光子集成芯片的功耗并减轻散热压力。该微环移相器尺寸较小，适于集成光子学片上集成，对下一代高速、高复杂度集成光子学计算系统十分有益。
第二实施例
本实施例提供了一种带内包围式微加热器的微环移相器，在上述第一实施例的基础上，本实施例中，第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2的半径为4.9um；第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2以及直波导3的横截面宽度为0.4um，高度为0.3um；第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2与直波导3之间的间距的最小值为0.16um；第一加热环4和第二加热环5的内外边缘半径差为2.2um，总高度为2.9um。第一沟槽和第二沟槽的沟槽高度为1.9um，沟槽深度为1.2um；相应地，第一加热环4与第一微环谐振腔1的所有边缘的间距最小值为0.8um，同样地，第二加热环5与第二微环谐振腔2的所有边缘的间距最小值也为0.8um。
其中，第一微环谐振腔1、第二微环谐振腔2和直波导3由硅材料制成，其折射率为3.47，阳极电极7和阴极电极9由铜材料制成，其热导率为397W/m/K，电导率为5.803×107S/m；第一连接板6和第二连接板8由镍镉合金材料制成，其热导率为11.3W/m/K，电导率为9.97208×105S/m，第一加热环4和第二加热环5由金属银制成，其热导率为425W/m/K，电导率为6.1368×107S/m。
本实施例中，输入光信号波长为1552.87nm，阳极电极7和阴极电极9上所加的偏置电压在0V至0.4V之间连续变化，第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8和阴极电极9共同构成连通的回路，从内侧对第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2进行加热。第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2发生硅的热光效应，折射率随偏置电压的变化发生相应的正相关变化，具体变化趋势如图3所示。同时，本实施例所提供的带内包围式微加热器的微环移相器的移相值，在一定范围内，也随偏置电压的变化发生相应的正相关变化，具体变化趋势如图4所示。通过在0至0.1V范围内调节偏置电压的大小，可以实现2π范围内移相值连续调节；通过在0至0.4V范围内调节偏置电压的大小，可以实现6π范围内移相值连续调节。
第三实施例
本实施例提供一种带内包围式微加热器的微环移相器，与上述第二实施例不同的是，本实施例中，输入光信号波长为1552.98nm，阳极电极7和阴极电极9上所加的偏置电压在0V至0.36V之间连续变化，第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8和阴极电极9共同构成连通的回路，从内侧对第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2进行加热。第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2发生硅的热光效应，折射率随偏置电压的变化发生相应的正相关变化，具体变化趋势如图3所示。同时，本实施例所提供的带内包围式微加热器的微环移相器的移相值，在一定范围内，也随偏置电压的变化发生相应的正相关变化，具体变化趋势如图4所示。通过在0至0.08V范围内调节偏置电压的大小，可以实现2π范围内移相值连续调节；通过在0至0.34V范围内调节偏置电压的大小，可以实现6π范围内移相值连续调节。
第四实施例
本实施例提供一种带内包围式微加热器的微环移相器，与上述第三实施例不同的是，本实施例中，第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2的半径为5.3um；第一加热环4和第二加热环5的内外边缘半径差为2.4um，总高度为3.3um。第一沟槽和第二沟槽的沟槽高度为2.3um，沟槽深度为1.4um；相应地，第一加热环4与第一微环谐振腔1的所有边缘的间距最小值为1um，同样地，第二加热环5与第二微环谐振腔2的所有边缘的间距最小值也为1um。第一加热环4和第二加热环5由金属金制成，其热导率为316W/m/K，电导率为4.005×107S/m。
阳极电极7和阴极电极9上所加的偏置电压在0V至0.4V之间连续变化，第一加热环4、第二加热环5、第一连接板6、阳极电极7、第二连接板8和阴极电极9共同构成连通的回路，从内侧对第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2进行加热。第一微环谐振腔1和第二微环谐振腔2发生硅的热光效应，折射率随偏置电压的变化发生相应的正相关变化，具体变化趋势如图3所示。同时，本实施例所提供的带内包围式微加热器的微环移相器的移相值，在一定范围内，也随偏置电压的变化发生相应的正相关变化，具体变化趋势如图4所示。通过在0至0.09V范围内调节偏置电压的大小，可以实现2π范围内移相值连续调节；通过在0至0.36V范围内调节偏置电压的大小，可以实现6π范围内移相值连续调节。
此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
还需要说明的是，以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述带内包围式微加热器的微环移相器包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、直波导、第一加热环、第二加热环、第一连接板、阳极电极、第二连接板以及阴极电极；其中，
所述第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔平行设置，所述直波导与所述第一微环谐振腔及所述第二微环谐振腔耦合；所述第一加热环设置在所述第一微环谐振腔内侧，所述第二加热环设置在所述第二微环谐振腔内侧；
所述第一加热环、第二加热环以及阳极电极通过所述第一连接板连接，所述第一加热环、第二加热环以及阴极电极通过所述第二连接板连接。
2.如权利要求1所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一加热环的外周缘设置有第一沟槽，所述第一加热环通过所述第一沟槽，从所述第一微环谐振腔的圆心沿半径向外的方向内包围所述第一微环谐振腔。
3.如权利要求2所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第二加热环的外周缘设置有第二沟槽，所述第二加热环通过所述第二沟槽，从所述第二微环谐振腔的圆心沿半径向外的方向内包围所述第二微环谐振腔。
4.如权利要求3所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一沟槽和第二沟槽的沟槽高度为1.1um至2.3um，沟槽深度为0.8um至1.4um。
5.如权利要求1所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的半径为4.9um至5.3um；所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔以及直波导的横截面宽度为0.4um至1um，高度为0.3um。
6.如权利要求1所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔与所述直波导间的间距最小值为0.1um至0.2um。
7.如权利要求1所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一加热环和第二加热环的内外边缘半径差为2um至2.4um，总高度为2.5um至3.3um。
8.如权利要求1所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一加热环与所述第一微环谐振腔的所有边缘的间距最小值为0.6um至1um，所述第二加热环与所述第二微环谐振腔的所有边缘的间距最小值为0.6um至1um。
9.如权利要求1-8任一项所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一加热环、第二加热环、第一连接板、阳极电极、第二连接板以及阴极电极分别由导电材料制成。
10.如权利要求1-8任一项所述的带内包围式微加热器的微环移相器，其特征在于，所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔以及直波导分别由硅材料制成。
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