CN115032819A - 共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器，包括自下而上的SOI基体和条形波导组件，所述条形波导组件由狭缝直波导和GST相变材料结构构成，所述SOI基体的上表面设置所述狭缝直波导，所述GST相变材料结构呈阵列式嵌入所述狭缝直波导内，所述条形波导组件的外表面包裹有保护膜。本发明实现硅基调制器的小型化，随着每个硅基光电子器件尺寸的降低，使得每个器件在芯片上实际面积减小，导致单个器件的制备成本降低；更小的光学器件可以更好的与现有的CMOS工艺相兼容；随着硅基光电子器件尺寸的减小，在光限制因子保持不变的情况下，操作器件的总能量也会减小；器件尺寸的减小可以提高瞬态响应的速度，从而提高硅基的调制速度。

Description

共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器
技术领域
本发明涉及一种光通信技术领域，尤其涉及一种共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器。
背景技术
近年来，随着微电子技术的不断进步，大量研究结果证明可以采用微电子工艺，实现硅衬底上光电子器件的制备，这些器件也可称为硅基光电子器件。硅基光电子器件具有众多优势：无需投入昂贵设备即可实现低成本批量生产；可在同一芯片上实现光子和电子的混合集成；硅波导尺寸很小，能大幅度减小互连所占用的面积；通过光信号传输，可大幅度提高速度，同时减少信息交换和传输的能耗。
当前微电子器件的特征尺寸至少比光学器件的特征尺寸小两到三个数量级，因此硅基光电子器件无法实现真正的与现有的CMOS工艺相兼容。同时，较大的器件尺寸通常伴随着较慢的瞬态响应，有源光学器件的工作速度因此会受到影响，比如，硅基调制器一般通过热光效应或者载流子色散效应来改变硅材料的特性，从而实现有源调节；但热光效应的响应时间比较慢，通常在毫秒量级；载流子色散效应虽然响应时间快，但其折射率的调节范围有限，通常折射率改变在千分之一量级，因此为了达到半周期相位的变化，需要毫米量级的长度，导致高速调制器和光开关通常很难实现。
随着硅基光电子器件的快速发展，对芯片的集成度要求越来越高，因此器件的小型化成为了必然趋势。为了克服硅基调制器在小型化方面的瓶颈，国内外学者提出了很多方法。如使用高对比度的介质材料或利用金属和介质界面上表面等离子激元来增强光与物质的相互作用，以此来增加调制效率。这样虽然可以有效地将器件的横截面减小到数百平方纳米，但仍然需要器件有源区长度达到数百微米。另一种方法是利用谐振结构，使光多次循环进入高Q值谐振腔以增加光与传输介质的有效作用长度，但工作带宽通常很小，导致采用这些结构的器件对环境变化非常敏感，且波长的调谐还会引入额外的功耗。
为此，本发明提出一种共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器，解决了现有技术中基于热光效应或者载流子色散效应的硅基调制器的器件尺寸大带来的成本高、CMOS工艺不兼容、能耗高和切换速度低等不足问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，包括自下而上的SOI基体和条形波导组件，所述条形波导组件由狭缝直波导和GST相变材料结构构成，所述SOI基体的上表面设置所述狭缝直波导，所述GST相变材料结构呈阵列式嵌入所述狭缝直波导内，所述条形波导组件的外表面包裹有保护膜。
进一步地，所述狭缝直波导以所述SOI基体的长度方向的中心线轴对称分布，所述狭缝直波导的长度与所述SOI基体的长度相等。
进一步地，所述狭缝直波导的狭缝深度与所述GST相变材料结构的厚度相等，所述狭缝直波导的狭缝宽度为30-50nm。
进一步地，所述狭缝直波导包括输入波导、混合波导和输出波导；
输入波导，用于输入调制光，所述输入波导的输出端连接所述混合波导的输入端；
混合波导，用于调制受温度控制的所述调制光，所述GST相变材料结构呈阵列式嵌入所述混合波导内，所述混合波导的输出端连接所述输出波导的输入端；
输出波导，用于输出所述调制光。
进一步地，所述GST相变材料结构为圆柱形，每个所述GST相变材料结构的底部与所述SOI基体的上表面贴合。
进一步地，所述狭缝直波导上沿光传输的中心线对称嵌设有两组所述GST相变材料结构，每组所述GST相变材料结构的数量为两个，每组所述GST相变材料结构沿光传输方向布置。
进一步地，所述狭缝直波导的材料为硅-二氧化硅-硅。
进一步地，所述条形波导组件的外表面包裹的保护膜由二氧化硅材料制备。
本发明还提供一种共封装光引擎系统，包括：激光器和上述任一项所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，所述激光器与所述硅基调制器构成调制光信号的发射模块，用于实现高速的发射光调制功能。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现硅基调制器的小型化。首先，随着每个硅基光电子器件尺寸的降低，使得每个器件在芯片上实际面积减小，导致单个器件的制备成本降低；其次，更小的光学器件可以更好的与现有的CMOS工艺相兼容；并且，随着硅基光电子器件尺寸的减小，在光限制因子保持不变的情况下，操作器件的总能量也会减小；最后，器件尺寸的减小可以提高瞬态响应的速度，从而提高硅基的调制速度。
2、本发明采用的相变材料GST具有非易失性的特点。当GST发生相变后，在无外界能量刺激的情况下，当前的状态可以自动保持，直到下一次相变被外界能量触发，此特性使得基于相变材料GST的硅基调制器，相比于传统采用热光效应或载流子色散效应实现的硅基调制器，其不存在任何静态功耗，特别是当状态需要保持较长时间，切换不频繁时，功耗上的优势更加明显。
附图说明
图1为本发明一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器的结构示意图；
图2为本发明一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器的俯视图；
图3为本发明一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器的截面示意图；
图4为本发明对应基模光输入时，在GST相变材料在两个状态之间切换时，光经过狭缝直波导的输入波导、混合波导与输出波导后的透射率仿真计算结果。
附图标记说明
1-SOI基体，2-条形波导组件，21-狭缝直波导，211-输入波导，212-混合波导，213-输出波导，22-GST相变材料结构。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
见图1，一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，包括自下而上的SOI基体1和条形波导组件2，所述条形波导组件2由狭缝直波导21和GST相变材料结构22构成，所述SOI基体1的上表面设置所述狭缝直波导21，所述GST相变材料结构22呈阵列式嵌入所述狭缝直波导21内，所述条形波导组件2的外表面包裹有保护膜。
所述狭缝直波导21以所述SOI基体1的长度方向的中心线轴对称分布，所述狭缝直波导21的长度与所述SOI基体1的长度相等。
所述狭缝直波导21的狭缝深度与所述GST相变材料结构22的厚度相等，所述狭缝直波导21的狭缝宽度为30-50nm。
所述狭缝直波导21包括输入波导211、混合波导212和输出波导213；
输入波导211，用于输入调制光，所述输入波导211的输出端连接所述混合波导212的输入端；
混合波导212，用于调制受温度控制的所述调制光，所述GST相变材料结构22呈阵列式嵌入所述混合波导212内，所述混合波导212的输出端连接所述输出波导213的输入端；
输出波导213，用于输出所述调制光。
所述GST相变材料结构22为圆柱形，每个所述GST相变材料结构22的底部与所述SOI基体1的上表面贴合。
所述狭缝直波导21上沿光传输的中心线对称嵌设有两组所述GST相变材料结构22，每组所述GST相变材料结构22的数量为两个，每组所述GST相变材料结构22沿光传输方向布置。
所述狭缝直波导21的材料为硅-二氧化硅-硅。
所述条形波导组件2的外表面包裹的保护膜由二氧化硅材料制备。
参见图2-图3，下面具体描述本发明的工作原理：一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，包括自下而上的SOI基体1和条形波导组件2，所述条形波导组件2由狭缝直波导21和GST相变材料结构22构成，所述狭缝直波导21的材料为硅-二氧化硅-硅，所述SOI基体1的上表面设置所述狭缝直波导21，所述GST相变材料结构22呈阵列式嵌入所述狭缝直波导21内，构成SiO2-Si-GST异质集成波导,通过向GST相变材料结构22施加不同的温度，实现对输入光的强度调制结构，所述条形波导组件2的外表面包裹有保护膜，所述条形波导组件2的外表面包裹的保护膜由二氧化硅材料制备，实现所述调制器的物理强度增强。
所述狭缝直波导21以所述SOI基体1的长度方向的中心线轴对称分布，所述狭缝直波导21的长度与所述SOI基体1的长度相等。
所述狭缝直波导21的狭缝深度与所述GST相变材料结构22的厚度相等，所述狭缝直波导21的狭缝宽度为40nm。
所述狭缝直波导21包括输入波导211、混合波导212和输出波导213；
输入波导211，用于输入调制光，所述输入波导211的输出端连接所述混合波导212的输入端；
混合波导212，用于调制受温度控制的所述调制光，所述GST相变材料结构22呈阵列式嵌入所述混合波导212内，所述混合波导212的输出端连接所述输出波导213的输入端；
输出波导213，用于输出所述调制光。
所述GST相变材料结构22为圆柱形，每个所述GST相变材料结构22的底部与所述SOI基体1的上表面贴合。
所述狭缝直波导21上沿光传输的中心线对称嵌设有两组所述GST相变材料结构22，每组所述GST相变材料结构22的数量为两个，每组所述GST相变材料结构22沿光传输方向布置。
根据GST相变材料结构22能够可逆地在两种不同的原子排布或状态(非晶态和晶态)之间高速转换的特性，以及利用狭缝直波导21中光的传输模式对结构参数敏感的特征，在硅-二氧化硅-硅构成的狭缝直波导21的混合波导212部分嵌入GST相变材料结构22阵列，使得该区域在被施加电脉冲之后，GST相变材料的折射率发生了改变，进而影响输入光在狭缝直波导21中的传输模式，实现输入光的调制。
本发明结构下，当输入光脉冲从所述狭缝直波导21的输入波导211输入后，在所述狭缝直波导21的混合波导212与所述GST相变材料结构22阵列构成的异质调制结构中被调制，调制后的信号从狭缝直波导21的输出波导213输出端输出。
本发明还提供一种共封装光引擎系统，包括：激光器和上述任一项所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，所述激光器与所述硅基调制器构成调制光信号的发射模块，用于实现高速的发射光调制功能。
基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器在大规模共封装光引擎系统中与激光器构成调制光信号的发射模块，实现高速的发射光调制功能，所述调制器所具有的尺寸小、切换速度快和能耗低等特征，可以大大节省共封装交换芯片的面积，实现更多光发射模块的集成；并且提高器件的调制速度，进而提高整个大规模共封装光引擎系统的交换带宽；最后在调制速度较低时，可以降低信号调制速度。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的主要参数包括：狭缝直波导21与GST相变材料结构22阵列的高度，皆为220纳米；狭缝直波导21中硅-二氧化硅-硅的宽度，分别为230纳米、40纳米与230纳米；GST相变材料结构22阵列的半径，均为80纳米；混合波导212中同侧硅材料内所嵌入的圆柱形GST相变材料结构22的平行于光传输方向的圆心距离，为200纳米；混合波导212中两不同侧硅材料内所嵌入的圆柱形GST相变材料结构的垂直于光传输方向的圆心垂直距离，为240纳米。
从图4中可以看出，对应基模光从狭缝直波导21的输入波导211输入时，向圆柱形GST相变材料结构22阵列施加一个低功率且持续时间长的电脉冲，使材料被加热到材料的熔化温度以上，并快速的冷却淬火，GST相变材料结构即可发生晶态到非晶态的转变，实现GST相变材料结构的非晶化过程，GST相变材料结构的折射率从高到低，混合波导212中原有稳定传输模式受到影响较小，在1310nm波长处，混合波导212的光传输大于-1dB；向圆柱形GST相变材料结构阵列施加一个高功率且持续时间短的电脉冲，使材料被加热到晶化温度和熔化温度之间，GST相变材料结构即可发生非晶态到晶态的转变，实现GST相变材料结构的晶化过程，GST相变材料结构的折射率从低到高，混合波导212中原有稳定传输模式受到影响较大，在1310nm波长处，混合波导212的光传输小于-8dB，进而实现了不同电脉冲输入下的光调制。
综上，本发明提供的一种共封装光引擎系统及用于其的相变材料阵列的硅基调制器可实现输入光的强度调制功能，并且具有器件尺寸小、非易失性等特点。与传统采用热光效应或载流子色散效应实现的硅基调制器相比，引入相变材料不仅降低了器件尺寸，同时降低了器件的功耗，可以用于高密度集成的光信息处理系统，如共封装光引擎、大规模光交换和激光雷达等，对高速光通信的硅基光电子器件开发具有促进作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，包括自下而上的SOI基体（1）和条形波导组件（2），所述条形波导组件（2）由狭缝直波导（21）和GST相变材料结构（22）构成，所述SOI基体（1）的上表面设置所述狭缝直波导（21），所述GST相变材料结构（22）呈阵列式嵌入所述狭缝直波导（21）内，所述条形波导组件（2）的外表面包裹有保护膜。
2.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述狭缝直波导（21）以所述SOI基体（1）的长度方向的中心线轴对称分布，所述狭缝直波导（21）的长度与所述SOI基体（1）的长度相等。
3.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述狭缝直波导（21）的狭缝深度与所述GST相变材料结构（22）的厚度相等，所述狭缝直波导（21）的狭缝宽度为30-50nm。
4.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述狭缝直波导（21）包括输入波导（211）、混合波导（212）和输出波导（213）；
输入波导（211），用于输入调制光，所述输入波导（211）的输出端连接所述混合波导（212）的输入端；
混合波导（212），用于调制受温度控制的所述调制光，所述GST相变材料结构（22）呈阵列式嵌入所述混合波导（212）内，所述混合波导（212）的输出端连接所述输出波导（213）的输入端；
输出波导（213），用于输出所述调制光。
5.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述GST相变材料结构（22）为圆柱形，每个所述GST相变材料结构（22）的底部与所述SOI基体（1）的上表面贴合。
6.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述狭缝直波导（21）上沿光传输的中心线对称嵌设有两组所述GST相变材料结构（22），每组所述GST相变材料结构（22）的数量为两个，每组所述GST相变材料结构（22）沿光传输方向布置。
7.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述狭缝直波导（21）的材料为硅-二氧化硅-硅。
8.如权利要求1所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，其特征在于，所述条形波导组件（2）的外表面包裹的保护膜由二氧化硅材料制备。
9.一种共封装光引擎系统，其特征在于，包括：激光器和权利要求1-8任一项所述的一种基于嵌入式相变材料结构阵列的硅基调制器，所述激光器与所述硅基调制器构成调制光信号的发射模块，用于实现高速的发射光调制功能。
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