CN113189706A - 一种集成可调硅光延时单元及延时线 - Google Patents

一种集成可调硅光延时单元及延时线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成可调硅光延时单元及延时线，其中，延时单元包括依次相连的光开关、延时结构和可调光衰减器；光开关包括多模干涉输入器和多模干涉输出器，多模干涉输入器与多模干涉输出器通过两段厚膜深刻蚀的硅光波导分别连接，两段厚膜深刻蚀的硅光波导中有一段的上方设置有氮化物电极；延时结构包括两条不同长度的延时路径，延时路径为厚膜深刻蚀的硅光波导；可调光衰减器集成在每条延时路径后通过自由载流子吸收机制实现非开关切换路径的光衰减；多模干涉输入器、多模干涉输出器和可调光衰减器均采用厚膜深刻蚀。本发明能够满足低损耗、大范围可调延时、高精度、高集成度等需求。

Description

一种集成可调硅光延时单元及延时线
技术领域
本发明涉及集成光电子器件技术领域，特别是涉及一种集成可调硅光延时单元及延时线。
背景技术
光延时线广泛应用于信号同步与缓冲、微波光子滤波器和相干断层检测等方面，尤其是在相控阵雷达系统中，因其延时量不受微波频率改变影响，有着非常重要的作用。传统相控阵雷达波束网络需要实现的相移器的配置和微波信号的频率相关，频率改变时，相移器的配置也会随之改变，因此传统相控阵天线瞬态带宽很窄。微波信号调制到光上，用光波导的延时代替传统移相器的移相，能够解决波束斜视问题，大幅提升带宽和精度，且不受相互辐射干扰。
但采用光纤延时和光开关切换的传统延时线尺寸大、精度低，有比较大局限性。因此目前的光延时线研究多为片上集成可调光延时线。基于微环谐振的延时线可以连续调节，但损耗大、带宽窄、稳定性差，基于光波导路径切换的延时线带宽宽、稳定性好，但无法实现连续调节。基于慢光效应的光栅延时线可以连续调节，但调节范围小、损耗大、带宽窄、稳定性差。因此需要发明一种低损耗、高速度、高精度、高集成度的可调光延时线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种集成可调硅光延时单元及延时线，能够满足低损耗、大范围可调延时、高精度、高集成度等需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集成可调硅光延时单元，包括依次相连的光开关、延时结构和可调光衰减器；所述光开关包括多模干涉输入器和多模干涉输出器，所述多模干涉输入器与所述多模干涉输出器通过两段厚膜深刻蚀的硅光波导分别连接，所述两段厚膜深刻蚀的硅光波导中有一段的上方设置有氮化物电极；所述延时结构包括两条不同长度的延时路径，所述延时路径为厚膜深刻蚀的硅光波导；所述可调光衰减器集成在每条延时路径后通过自由载流子吸收机制实现非开关切换路径的光衰减；所述多模干涉输入器、多模干涉输出器和可调光衰减器均采用厚膜深刻蚀。
所述厚膜深刻蚀的硅光波导的厚度为3微米，深刻蚀2.8微米。
所述厚膜深刻蚀的硅光波导的刻蚀方法为湿法刻蚀，宽度为2微米。
所述多模干涉输入器为1×2多模干涉分光器或2×2多模干涉耦合器。
所述多模干涉输出器为2×2多模干涉耦合器。
所述可调光衰减器的波导厚度为3微米，深刻蚀2.8微米，全区域轻掺杂P载流子，波导两侧分别为重掺杂P区和N区，所述P区和N区上方设置有电极。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集成可调硅光延时线，包括滤模波导和合波器，所述滤模波导和合波器之间连接有n个如上述的集成可调硅光延时单元，所述n个集成可调硅光延时单元依次连接，其中，第i个集成可调硅光延时单元的延时路径差为2i-1Δt，其中，1≤i≤n，Δt为延时时间。
所述滤模波导的厚度为3微米，在入口处浅刻蚀1.2微米，在出口处深刻蚀2.8微米，所述滤模波导的总长为350微米。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用3微米厚膜硅光波导，相比于薄膜硅光波导结构损耗更低，相比于氮化硅光波导和铌酸锂光波导结构工艺容差大。本发明采用2.8微米深刻蚀，相比于传统1.2微米浅刻蚀，延时线圈集成度更高，调制器和可调光衰减器的工作速度更快，可调光衰减器的工作电压更低，内部结构的光波导均为深刻蚀，集成度更高。本发明结构中集成厚膜深刻蚀可调光衰减器，采用自由载流子吸收机制衰减非切换路径的光，弥补消光比抑制串扰，从而提高延时线精度，并使结构更易于控制。
附图说明
图1是本发明实施方式中厚膜硅光波导的结构示意图；
图2是本发明实施方式中2×2光开关的结构示意图；
图3是本发明实施方式中热光调制波导示意图；
图4是本发明实施方式中可调光衰减器示意图；
图5是本发明实施方式中集成可调硅光延时线结构示意图；
图6是本发明实施方式中滤模波导示意图；
图7是本发明实施例中8级集成可调光延时线布局示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种集成可调硅光延时单元，包括依次相连的光开关、延时结构和可调光衰减器；所述光开关包括多模干涉输入器和多模干涉输出器，所述多模干涉输入器与所述多模干涉输出器通过两段厚膜深刻蚀的硅光波导分别连接，所述两段厚膜深刻蚀的硅光波导中有一段的上方设置有氮化物电极；所述延时结构包括两条不同长度的延时路径，所述延时路径为厚膜深刻蚀的硅光波导；所述可调光衰减器集成在每条延时路径后通过自由载流子吸收机制实现非开关切换路径的光衰减；所述多模干涉输入器、多模干涉输出器和可调光衰减器均采用厚膜深刻蚀。
如图1所示，厚膜深刻蚀的硅光波导的衬底材料为二氧化硅，光波导厚度为3微米，深刻蚀2.8微米，刻蚀方法为湿法刻蚀，光波导宽度为2微米。在本实施方式中，其应用于延时路径、光开关中的连接波导、可调光衰减器中的硅光波导、多模干涉输入器和多模干涉输出器。
如图2所示，2×2的光开关由厚膜深刻蚀的硅光波导、厚膜深刻蚀的2×2多模干涉耦合器和氮化钛电极组成，两个2×2多模干涉耦合器之间由两段厚膜深刻蚀的硅光波导连接。如图3所示，氮化钛电极位于其中一段硅光波导的上方，通电加热氮化钛电极，热光调制控制开关。
延时结构包括两条不同长度的延时路径，该两条不同长度的延时路径由两条长度不同的厚膜深刻蚀光波导组成，通过光开关可以选择波导路径，光通过两条光波导的时间差值即为该阶延时量。
如图4所示，所述可调光衰减器的波导厚度为3微米，深刻蚀2.8微米，全区域轻掺杂P载流子，波导两侧分别为重掺杂P区和N区，所述P区和N区上方设置有铝电极，用铝电极进行控制，衰减非开关切换路径的光，弥补消光比。
本发明的实施方式涉及一种集成可调硅光延时线，如图5所示，包括滤模波导和2×1合波器，所述滤模波导和2×1合波器之间连接有n个上述的集成可调硅光延时单元，所述n个集成可调硅光延时单元依次连接，其中，第i个集成可调硅光延时单元的延时路径差为2i-1Δt，其中，1≤i≤n，Δt为延时时间。本实施方式中，第一个集成可调硅光延时单元中的光开关的多模干涉输入器为1×2多模干涉分光器，其余的集成可调硅光延时单元中的光开关的多模干涉输入器均为2×2多模干涉耦合器。
如图6所示，滤模波导的厚度为3微米，在入口处浅刻蚀1.2微米，在出口处深刻蚀2.8微米，所述滤模波导的总长为350微米。
下面通过一个具体的实例进一步说明本发明。
图7所示的是8级集成可调硅光延时线，其衬底材料为二氧化硅，波导材料为厚膜深刻蚀的硅，波导厚度3微米，深刻蚀2.8微米，刻蚀方法为湿法刻蚀，为简化工艺，每两级接可调光衰减器。其结构8个包括2×2光开关、每级的延时线分别为1ps、2ps……128ps、1×2的分光器、2×1的合波器、滤模波导以及可调光衰减器；滤模波导过滤高阶模式的光波导；2×2光开关由厚膜深刻蚀的硅光波导、厚膜深刻蚀的多模干涉耦合器和氮化钛电极组成，氮化钛电极位于硅光波导上方，通电加热氮化钛电极，热光调制控制开关；每级的延时线由两条长度不同的厚膜深刻蚀光波导组成，通过开关可以选择波导路径，光通过两条光波导的时间差值即为该阶延时量；可调光衰减器集成在每级延时线的光波导之后，由载流子掺杂、硅光波导和铝电极组成，浅掺杂P载流子，两侧各间隔3微米分别为重掺杂P区和N区，通过铝电极加电，以自由载流子吸收机制实现非开关切换路径的光衰减，弥补消光比抑制串扰。热光调制开关和可调光衰减器为有源器件，通过调节电压，控制光延时线的延时量，延时量调节步进值1皮秒，最大延时量255皮秒。
不难发现，本发明采用3微米厚膜硅光波导，相比于薄膜硅光波导结构损耗更低，相比于氮化硅光波导和铌酸锂光波导结构工艺容差大。本发明采用2.8微米深刻蚀，相比于传统1.2微米浅刻蚀，延时线圈集成度更高，调制器和可调光衰减器的工作速度更快，可调光衰减器的工作电压更低，内部结构的光波导均为深刻蚀，集成度更高。本发明结构中集成厚膜深刻蚀可调光衰减器，采用自由载流子吸收机制衰减非切换路径的光，弥补消光比抑制串扰，从而提高延时线精度，并使结构更易于控制。

Claims (8)

1.一种集成可调硅光延时单元，其特征在于，包括依次相连的光开关、延时结构和可调光衰减器；所述光开关包括多模干涉输入器和多模干涉输出器，所述多模干涉输入器与所述多模干涉输出器通过两段厚膜深刻蚀的硅光波导分别连接，所述两段厚膜深刻蚀的硅光波导中有一段的上方设置有氮化物电极；所述延时结构包括两条不同长度的延时路径，所述延时路径为厚膜深刻蚀的硅光波导；所述可调光衰减器集成在每条延时路径后通过自由载流子吸收机制实现非开关切换路径的光衰减；所述多模干涉输入器、多模干涉输出器和可调光衰减器均采用厚膜深刻蚀。
2.根据权利要求1所述的集成可调硅光延时单元，其特征在于，所述厚膜深刻蚀的硅光波导的厚度为3微米，深刻蚀2.8微米。
3.根据权利要求1所述的集成可调硅光延时单元，其特征在于，所述厚膜深刻蚀的硅光波导的刻蚀方法为湿法刻蚀，宽度为2微米。
4.根据权利要求1所述的集成可调硅光延时单元，其特征在于，所述多模干涉输入器为1×2多模干涉分光器或2×2多模干涉耦合器。
5.根据权利要求1所述的集成可调硅光延时单元，其特征在于，所述多模干涉输出器为2×2多模干涉耦合器。
6.根据权利要求1所述的集成可调硅光延时单元，其特征在于，所述可调光衰减器的波导厚度为3微米，深刻蚀2.8微米，全区域轻掺杂P载流子，波导两侧分别为重掺杂P区和N区，所述P区和N区上方设置有电极。
7.一种集成可调硅光延时线，其特征在于，包括滤模波导和合波器，所述滤模波导和合波器之间连接有n个如权利要求1-6中任一所述的集成可调硅光延时单元，所述n个集成可调硅光延时单元依次连接，其中，第i个集成可调硅光延时单元的延时路径差为2i-1Δt，其中，1≤i≤n，Δt为延时时间。
8.根据权利要求7所述一种集成可调硅光延时线，其特征在于，所述滤模波导的厚度为3微米，在入口处浅刻蚀1.2微米，在出口处深刻蚀2.8微米，所述滤模波导的总长为350微米。
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