CN114236883A - 一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器 - Google Patents

一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器 Download PDF

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Abstract

一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫‑曾德尔电光调制器，包括衬底、二氧化硅层和马赫‑曾德尔结构的调制臂，调制臂的中部为狭缝波导结构并嵌入在二氧化硅层内，调制臂的两端分别连接输入端和输出端，输入端和输出端均采用多模干涉耦合器结构，调制臂在与输出端相连的部分采用不等臂结构，在狭缝波导结构的外侧分别设置有嵌入在二氧化硅层内的第一P+型掺杂硅体料区和第二P+型掺杂硅体料区，在狭缝波导结构的内侧设置有嵌入在二氧化硅层内的N+型掺杂硅体料区，在各掺杂硅体料区的上方分别设置共面电极，共面电极与各掺杂硅体料区通过钨通孔连接。本发明有效地降低调制器的半波电压，并有效地提高了聚合物与光场的相互作用，提高了调制效率。

Description

一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器
技术领域
本发明涉及一种电光调制器。特别是涉及一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器。
背景技术
硅基光电子技术在传输环节和信号处理环节有着巨大的优势，如传播速度快、带宽大、易集成，并且不存在发热和串扰问题。硅基光电子学已经成为了信息技术发展的必然，利用硅基光电子器件与传统CMOS工艺的良好兼容性，把电路和光路制作在同一个芯片上，即可实现电-光-电的光电混合集成。电光调制器是硅基光电子学研究微波光子光纤通信技术中的关键部件之一，但目前硅基电光调制器研究主要基于注入载流子的等离子效应。2004年，Intel报道了基于MOS电容结构的硅基电光调制器，2005年，康奈尔大学报道了基于微环谐振腔的正向PIN二极管高速硅基电光调制器，实现了速率为1.5Gbps的光调制。由于硅基电光调制器载流子浓度的变化集中在PN结耗尽层附近，折射率变化区与光模的重叠积分较小，因此硅基调制器的调制效率较低，器件尺寸较大，很难实现低半波电压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种能够与硅基CMOS工艺相互兼容且高调制效率的硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器。
本发明所采用的技术方案是：一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，包括衬底和设置在所述衬底上面的二氧化硅层，还设置有马赫-曾德尔结构的调制臂，所述调制臂的中部为狭缝波导结构并嵌入在所述的二氧化硅层内，所述调制臂的两端分别连接输入端和输出端，所述的输入端和输出端均采用多模干涉耦合器结构，所述调制臂在与所述输出端相连的部分采用不等臂结构，在所述调制臂的狭缝波导结构的外侧分别设置有嵌入在所述的二氧化硅层内的第一P+型掺杂硅体料区和第二P+型掺杂硅体料区，在狭缝波导结构的内侧设置有嵌入在所述的二氧化硅层内的N+型掺杂硅体料区，在所述的第一P+型掺杂硅体料区、第二P+型掺杂硅体料区和N+型掺杂硅体料区的上方分别设置共面电极，所述的共面电极与第一P+型掺杂硅体料区、第二P+型掺杂硅体料区和N+型掺杂硅体料区通过钨通孔连接。
所述的狭缝波导结构是由一维周期阵列的矩形平行六面体硅块构成，且在硅块周围填充非线性聚合物材料作为上包层。
所述矩形平行六面体硅块的波导宽度为705nm，周期为470nm，波导缝隙为268nm。
所述的狭缝波导结构首先通过220nm硅刻蚀形成线性排列的矩形平行六面体硅块，再利用干法刻蚀工艺去除硅块周围的二氧化硅包层，使用移液器填充非线性聚合物材料，所述非线性聚合物材料，是在聚甲基丙烯酸甲酯中掺杂生色团CLD-1实现，生色团CLD-1的掺杂比例为30wt％，通过极化工艺获得电光效应，得到非线性聚合物材料，极化电压为3000V，极化温度为80℃，所述非线性聚合物材料的电光系数为70pm/V。
所述的多模干涉耦合器结构的多模波导的尺寸为18μm×4μm，输入波导和输出波导采用倒锥形结构，长度为20μm，宽度由705nm渐变为1200nm。
所述的共面电极包括：与第一P+型掺杂硅体料区对应的第一地端、与N+型掺杂硅体料区对应的信号端和与第二P+型掺杂硅体料区对应的第二地端。
所述的N+型掺杂硅体料区由掺磷实现，掺磷浓度为2.5×1019cm-3，厚度为220nm，所述的第一P+型掺杂硅体料区和第二P+型掺杂硅体料区由掺硼实现，掺硼浓度为2.5×1019cm-3，厚度为220nm。
所述调制臂不等臂结构的臂长差为80μm。
本发明的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，基于包层非线性聚合物材料的电光效应原理，利用包层材料的高电光系数，有效地降低调制器的半波电压。调制臂处的光场仅与非线性聚合物材料重叠，由于狭缝波导对光场的强限制作用，从而增强非线性聚合物材料与光的相互作用，有效地提高了聚合物与光场的相互作用，提高了调制效率。硅材料与聚合物材料具有较大折射率差，有利于减小调制器的尺寸，实现更高密度的集成，并且狭缝波导结构中狭缝的尺寸比传统硅基波导尺寸小，更有利于提高调制器的调制速率。本发明的电光调制器能够与硅基CMOS工艺兼容，具有调制效率高、结构紧凑等优点，为实现微弱信号的电光转换提供了一种有效的解决方案。
附图说明
图1是本发明一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器的内部结构示意图；
图2是本发明一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器的截面图；
图3是本发明调制器在0V调制电压下的整体光场效果图；
图4是本发明调制器的多模干涉部分在0V调制电压下的光场图；
图5是本发明调制器的调制臂在0V调制电压下的光场图；
图6是本发明调制器的半波电压图。
图中
1：衬底 2：二氧化硅层
3：调制臂 4：输入端
5：输出端 6：第一P+型掺杂硅体料区
7：第二P+型掺杂硅体料区 8：N+型掺杂硅体料区
9：钨通孔 10：非线性聚合物材料
11：第一地端 12：信号端
13：第二地端 14：狭缝波导结构
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器做出详细说明。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
如图1、图2所示，本发明的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，包括衬底1和设置在所述衬底1上面的二氧化硅层2，还设置有马赫-曾德尔结构的调制臂3，所述调制臂3的中部为狭缝波导结构14并嵌入在所述的二氧化硅层2内，所述调制臂3的两端分别连接输入端4和输出端5，所述的输入端4和输出端5均采用1×2多模干涉耦合器结构，为了使马赫-曾德尔干涉结构的调制臂3的两个调制臂的输入光波强度和相位相同，本发明所述的1×2多模干涉耦合器结构的多模波导尺寸为18μm×4μm，输入波导和输出波导采用倒锥形结构，长度为20μm，宽度由705nm渐变为1200nm。
在所述调制臂3的狭缝波导结构14的外侧分别设置有嵌入在所述的二氧化硅层2内的第一P+型掺杂硅体料区6和第二P+型掺杂硅体料区7，在狭缝波导结构14的内侧设置有嵌入在所述的二氧化硅层2内的N+型掺杂硅体料区8，在所述的第一P+型掺杂硅体料区6、第二P+型掺杂硅体料区7和N+型掺杂硅体料区8的上方分别设置共面电极，所述的共面电极与第一P+型掺杂硅体料区6、第二P+型掺杂硅体料区7和N+型掺杂硅体料区8通过钨通孔9连接。
输入的光波首先通过构成输入端的多模干涉耦合器按1：1的比例分束成两部分光，分别通过弯曲波导耦合进入马赫-曾德尔结构的调制臂3的两个调制臂，通过对两个调制臂施加调制电压使分支波导材料的折射率随着外加电场的变化而变化，两个调制臂的输出光波产生相位差，再经过构成输出端的多模干涉耦合器合束成一路光相干输出。
本发明中，所述调制臂3在与所述输出端5相连的部分采用不等臂结构，所述调制臂3不等臂结构的臂长差为80μm。由于电光调制器在解调电信号时的工作点位于线性工作区时，能获得较高的调制效率。经研究分析，本发明中所述调制臂3的两臂的初始长度差为80μm时，能够使器件在未施加电压时处于线性工作区的中心点。
本发明中所述的狭缝波导结构14是由一维周期阵列的矩形平行六面体硅块构成，且在硅块周围填充非线性聚合物材料10作为上包层。所述矩形平行六面体硅块的波导宽度为705nm，周期为470nm，波导缝隙为268nm。
为了降低硅基电光调制器的半波电压，提高其调制效率，本发明提出芯层采用狭缝硅波导，包层填充聚合物材料的马赫-曾德尔结构电光调制器。狭缝波导是一种典型的纳米结构，它可以在由高折射率材料包围的纳米级低折射率材料中引导和限制光线。
所述的狭缝波导结构14的形成是：首先通过220nm硅刻蚀形成线性排列的矩形平行六面体硅块，再利用干法刻蚀工艺去除硅块周围的二氧化硅包层，使用移液器填充非线性聚合物材料，所述非线性聚合物材料，是在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中掺杂生色团CLD-1实现，生色团CLD-1的掺杂比例为30wt％，通过极化工艺获得电光效应，得到非线性聚合物材料，极化电压为3000V，极化温度为80℃，所述非线性聚合物材料的电光系数为70pm/V。
本发明中所述的共面电极包括：与第一P+型掺杂硅体料区6对应的第一地端11、与N+型掺杂硅体料区8对应的信号端12和与第二P+型掺杂硅体料区7对应的第二地端13。所述的N+型掺杂硅体料区8由掺磷实现，掺磷浓度为2.5×1019cm-3，厚度为220nm，所述的第一P+型掺杂硅体料区6和第二P+型掺杂硅体料区7由掺硼实现，掺硼浓度为2.5×1019cm-3，厚度为220nm。
从电学结构考虑，为了降低硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器的调制电压，本发明采用如上所述的推挽电极结构。对电光调制器的两个调制臂同时施加大小相同，方向相反的电场，使电光调制器的半波电压降为单臂调制的一半左右。
图3是本发明调制器在0V调制电压下的整体光场效果图。由图3可以看出该尺寸下光波基本沿芯层传播，器件的损耗较小。
图4是本发明调制器的多模干涉部分在0V调制电压下的光场图。由图4可以看出该尺寸下光波基本沿芯层传播，器件的损耗较小，且多模干涉耦合器输出端的分光比接近1：1，使两个调制臂的输入光功率强度和相位基本相同。
图5是本发明调制器的调制臂在0V调制电压下的光场图。由图5可以看出光场被强限制在填充有高电光系数的非线性聚合物材料的狭缝区域，有效地提高聚合物与光场的相互作用，有利于降低器件的半波电压，提高调制效率。
图6是本发明调制器的半波电压图。由图5可以看到随着调制电压的增大，器件的输出功率呈周期性变化。器件的半波电压为2.1V，其中电压为0V时处于调制器的线性工作区。
综上所述，本发明的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，利用狭缝波导对光场的强限制作用，增强非线性聚合物与光场的相互作用及器件的调制效率。采用非对称结构设计使器件在未施加电压时工作在线性工作区，同时利用非线性聚合物的高电光系数降低器件的半波电压。因而本发明的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器具有调制效率高、结构紧凑等优点，在高密度集成的片上系统中具有重要的应用前景。
以上说明书仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，包括衬底(1)和设置在所述衬底(1)上面的二氧化硅层(2)，其特征在于，还设置有马赫-曾德尔结构的调制臂(3)，所述调制臂(3)的中部为狭缝波导结构(14)并嵌入在所述的二氧化硅层(2)内，所述调制臂(3)的两端分别连接输入端(4)和输出端(5)，所述的输入端(4)和输出端(5)均采用多模干涉耦合器结构，所述调制臂(3)在与所述输出端(5)相连的部分采用不等臂结构，在所述调制臂(3)的狭缝波导结构(14)的外侧分别设置有嵌入在所述的二氧化硅层(2)内的第一P+型掺杂硅体料区(6)和第二P+型掺杂硅体料区(7)，在狭缝波导结构(14)的内侧设置有嵌入在所述的二氧化硅层(2)内的N+型掺杂硅体料区(8)，在所述的第一P+型掺杂硅体料区(6)、第二P+型掺杂硅体料区(7)和N+型掺杂硅体料区(8)的上方分别设置共面电极，所述的共面电极与第一P+型掺杂硅体料区(6)、第二P+型掺杂硅体料区(7)和N+型掺杂硅体料区(8)通过钨通孔(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述的狭缝波导结构(14)是由一维周期阵列的矩形平行六面体硅块构成，且在硅块周围填充非线性聚合物材料(10)作为上包层。
3.根据权利要求2所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述矩形平行六面体硅块的波导宽度为705nm，周期为470nm，波导缝隙为268nm。
4.根据权利要求2所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述的狭缝波导结构(14)首先通过220nm硅刻蚀形成线性排列的矩形平行六面体硅块，再利用干法刻蚀工艺去除硅块周围的二氧化硅包层，使用移液器填充非线性聚合物材料，所述非线性聚合物材料，是在聚甲基丙烯酸甲酯中掺杂生色团CLD-1实现，生色团CLD-1的掺杂比例为30wt％，通过极化工艺获得电光效应，得到非线性聚合物材料，极化电压为3000V，极化温度为80℃，所述非线性聚合物材料的电光系数为70pm/V。
5.根据权利要求1所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述的多模干涉耦合器结构的多模波导的尺寸为18μm×4μm，输入波导和输出波导采用倒锥形结构，长度为20μm，宽度由705nm渐变为1200nm。
6.根据权利要求1所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述的共面电极包括：与第一P+型掺杂硅体料区(6)对应的第一地端(11)、与N+型掺杂硅体料区(8)对应的信号端(12)和与第二P+型掺杂硅体料区(7)对应的第二地端(13)。
7.根据权利要求1或6所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述的N+型掺杂硅体料区(8)由掺磷实现，掺磷浓度为2.5×1019cm-3，厚度为220nm，所述的第一P+型掺杂硅体料区(6)和第二P+型掺杂硅体料区(7)由掺硼实现，掺硼浓度为2.5×1019cm-3，厚度为220nm。
8.根据权利要求1所述的一种硅/聚合物杂化狭缝波导马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于，所述调制臂(3)不等臂结构的臂长差为80μm。
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