CN116107103B - 高分辨垂直光学相位调制阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电芯片技术领域，具体提供一种高分辨垂直光学相位调制阵列。调制阵列包括：衬底、光波导调制器阵列，光波导调制器阵列位于衬底上；光波导调制器阵列包括多组并列排布的光波导调制器，每组光波导调制器在垂直方向的结构从下至上依次为N型掺杂导电区、N型掺杂波导、无掺杂电容层、P型掺杂波导、上电极；所述N型掺杂导电区包括下电极，下电极位于N型掺杂导电区上，每组光波导调制器在水平方向共用所述下电极；所述上电极为P型区电极；所述下电极为N型区电极；调制过程中通过对各个上电极施加电压信号以实现调制。优点在于：占用面积小，单片上即可完成大规模复杂光学计算；提升器件的调制精度；采用电压型调制，调制功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及光电芯片技术领域，尤其涉及一种高分辨垂直光学相位调制阵列。
背景技术
空间复用技术（Space-division Multiplexing，SDM）或模分复用技术（Mode-division Multiplexing，MDM）被广泛应用于光通讯和光计算领域，用以提升系统的传输容量，目前的片上SDM或MDM的实现方法主要是通过连接光调制器或光开关构成网络实现的，但由于光调制器通常采用水平排布调制电极的方式，光调制器所占用的芯片面积一般较大，造成SMD或MDM网络的集成度较低，很难大规模集成。
片上光调制器是SDM和MDM系统的核心器件，它是一种通过改变器件材料的折射率和吸收率等物理特性实现对光信号的相位或幅值实现调制的光子学器件。光调制器作为光信号收发器的核心组成部分在高速光通讯领域起着不可或缺作用，在光纤通讯、数据中心信息交互、片上光信号处理、芯片级光计算等领域有广泛应用。
基于集成光子学的片上光调制器主要通过热光效应、电光效应、载流子色散效应等作用于光波导结构，实现光相位调制，配合马赫泽德干涉网络或微环谐振腔构成光开关；或通过电吸收效应（如Franz-Keldysh效应，量子限制斯塔克效应），直接调制光信号的输出强度。
光调制器在不同材料体系的集成光子学平台上均可应用，其中主要包括铌酸锂（LiNbO3）调制器、III-V族调制器、硅光调制器和聚合物调制器四种。铌酸锂调制器是利用铌酸锂晶体的线性电光效应来实现信号的调制；三五族调制器是利用量子限制效应实现信号的调制；硅光调制器是利用材料折射率的变化对传输光的相位和波长进行调制；聚合物调制器利用线性电光效应来实现电信号对光信号的调制。
目前基于集成光子学的片上光调制器的设计主要面向对收发器类器件中单路信号调制性能（如调制效率、插入损耗、调制速度、消光比等）优化，很少考虑多输入多输出的SDM系统的情况，而对多路信号的复合调制在高密度大容量光网络、光计算和可变光模式转换器结构中都有重要的应用价值。同时，片上光调制器结构普遍存在体积大、集成度低的问题，这也成为了阻碍集成光芯片进一步高度集成的一个核心因素。
目前最有望改善这类问题的技术方案是一种在垂直方向上利用载流子积累效应实现折射率调制的单波导光相位调制结构。如附图1所示，这种垂直结构一定程度上提升了调制效率，但是由于控制电极采用水平放置，仍然不能实现多路复合调制，进而无法实现高集成的光调制。
目前的光调制器结构为了减小插入损耗，通常将高掺杂的电极排布在光波导两侧，这样的调制器结构所占用的面积一般很大，并且无法实现在小范围内的多点折射率或光相位调制。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种高分辨垂直光学相位调制阵列。
本发明第一目的在于提供一种高分辨垂直光学相位调制阵列，包括：衬底、光波导调制器阵列，所述光波导调制器阵列位于衬底上；
所述光波导调制器阵列包括多组并列排布的光波导调制器，每组光波导调制器在垂直方向的结构从下至上依次为N型掺杂导电区、N型掺杂波导、无掺杂电容层、P型掺杂波导、上电极；
所述N型掺杂导电区包括下电极，下电极位于N型掺杂导电区上，每组光波导调制器在水平方向共用所述下电极；
所述上电极为P型区电极；所述下电极为N型区电极；调制过程中通过对各个上电极施加电压信号以实现调制。
优选的，下电极沿传播方向独立分组。
优选的，无掺杂电容层的厚度为15-25nm。
优选的，衬底为绝缘体上硅衬底、磷化铟衬底或薄膜铌酸锂衬底。
优选的，N型掺杂导电区还包括渐变掺杂N型导电区，所述下电极、渐变掺杂N型导电区位于N型掺杂导电区的不同位置上；N型掺杂波导位于渐变掺杂N型导电区上。
优选的，波导为硅基波导。
本发明第二目的在于提供一种高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，包括如下步骤：
S1、清洗衬底，在衬底正面沉积生长一层硅基掩膜层；
S2、旋涂光刻胶，利用光刻将需要进行N型掺杂的图形区域转移到光刻胶图层上；
S3、注入N型掺杂离子；
S4、祛除光刻胶，移除所述硅基掩膜层，露出经过N型掺杂的单晶硅表面，即为N型掺杂波导；
S5、在所述N型掺杂波导表面重新沉积生长一层薄二氧化硅层，形成利于载流子积累的无掺杂电容层；
S6、在无掺杂电容层上生长一层多晶硅波导层，注入P型掺杂离子，得到P型掺杂波导；
S7、对整体结构热退火，激活掺杂的P型和N型元素离子；
S8、在P型掺杂波导表面生长一层二氧化硅掩膜；
S9、旋涂光刻胶，利用光刻将光波导图形转移到光刻胶涂层上，并利用干法刻蚀二氧化硅掩膜，将图形转移到二氧化硅掩膜上；
S10、祛除光刻胶，并利用干法刻蚀P型掺杂波导、无掺杂电容层；部分刻蚀N型掺杂波导，得到下电极；
S11、通过标准工艺流程定义电极与金属互连结构。
优选的，步骤S1中的硅基掩膜层为二氧化硅或氮化硅掩膜层，所述沉积的方法为等离子体增强化学的气相沉积法。
优选的，步骤S4中移除所述硅基掩膜层的方法为湿法刻蚀或干法刻蚀。
优选的，步骤S5中沉积的方法为等离子体增强化学的气相沉积法或表面氧化法。
本发明有益效果：
（1）使用垂直调制的电容积累型器件，占用的面积较小；
（2）在电容层周围积累大量的载流子，大大的提升器件的调制精度；
（3）采用的是电压型而非电流型的调制，因为其共耗相对于其他的调制方式而言，调制功耗低；
（4）在单片上即可完成更大规模、更复杂的光学计算。
附图说明
图1是现有技术中垂直调制的载流子积累型光调制器结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的高分辨垂直光学相位调制阵列剖面示意图。
图3是本发明实施例2提供的高分辨垂直光学相位调制阵列剖面示意图。
附图标记：
1、衬底；2、N型掺杂导电区；3、N型掺杂波导；4、无掺杂电容层；5、P型掺杂波导；6、上电极；201、下电极；202、渐变掺杂N型导电区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供一种高分辨垂直光学相位调制阵列，包括：衬底、光波导调制器阵列，所述光波导调制器阵列位于衬底上；
所述光波导调制器阵列包括多组并列排布的光波导调制器，每组光波导调制器在垂直方向的结构从下至上依次为N型掺杂导电区、N型掺杂波导、无掺杂电容层、P型掺杂波导、上电极；
所述N型掺杂导电区包括下电极，下电极位于N型掺杂导电区上，每组光波导调制器在水平方向共用所述下电极；
所述上电极为P型区电极；所述下电极为N型区电极；调制过程中通过对各个上电极施加电压信号以实现调制；
下电极沿传播方向独立分组；
无掺杂电容层的厚度为15-25nm；在具体实施例中，无掺杂电容层的厚度为20nm；
衬底为绝缘体上硅衬底、磷化铟衬底或薄膜铌酸锂衬底；
相邻的光波导调制器间距与光波导调制器的宽度和高度均相同；
在具体实施例中，波导为硅基波导；
在具体实施例中，N型掺杂导电区还包括渐变掺杂N型导电区，所述下电极、渐变掺杂N型导电区位于N型掺杂导电区的不同位置上；N型掺杂波导位于渐变掺杂N型导电区上。
实施例1
本实施例提供了一种高分辨垂直光学相位调制阵列，图2示出了调制阵列的剖面结构；调制阵列包括衬底1、光波导调制器阵列，所述光波导调制器阵列位于衬底1上；所述衬底1为SOI（绝缘体上硅）衬底；
所述光波导调制器阵列包括多组并列排布的光波导调制器，每组光波导调制器在垂直方向的结构从下至上依次为N型掺杂导电区2、N型掺杂波导3、无掺杂电容层4、P型掺杂波导5、上电极6；上电极6为P型区电极；
相邻的光波导调制器间距与光波导调制器的宽度和高度均相同；
所述N型掺杂导电区2包括下电极201，下电极201位于N型掺杂导电区2上，每组光波导调制器在水平方向共用下电极201；下电极201为N型区电极，其沿传播方向独立分组；
无掺杂电容层4的厚度为20nm。
在调制的过程中，通过对各上电极6施加电压信号，与N型掺杂导电区2、下电极201之间形成电压差，进而改变折射率；操作时可以根据具体所需要的折射率变化来确定施加的电压的取值；多个光波导调制器可以施加不同的电压值，以实现独立、高精度、高密度的调制。
实施例2
本实施例提供了一种高分辨垂直光学相位调制阵列，图3示出了调制阵列的剖面结构；调制阵列包括衬底1、光波导调制器阵列，所述光波导调制器阵列位于衬底1上；所述衬底为InP（磷化铟）衬底；
所述光波导调制器阵列包括多组并列排布的光波导调制器，每组光波导调制器在垂直方向的结构从下至上依次为N型掺杂导电区2、N型掺杂波导3、无掺杂电容层4、P型掺杂波导5、上电极6；上电极6为P型区电极；
N型掺杂导电区2包括下电极201、渐变掺杂N型导电区202，下电极201、渐变掺杂N型导电区202位于N型掺杂导电区2的不同位置上，每组光波导调制器在水平方向共用下电极201；下电极201为N型区电极，其沿传播方向独立分组；N型掺杂波导3位于渐变掺杂N型导电区202上；
N型掺杂导电区2的掺杂为重掺杂；无掺杂电容层4为无掺杂量子阱电容。
制备时，可以通过金属有机源化学气相沉积技术(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)在垂直方向生长材料组分不同、掺杂浓度不同的外延层，利于优化该器件结构的电学特性和光学特性；但同时磷化铟基的波导对光的限制能力较差，造成波导尺寸较大，光在阵列中各波导间耦合过程中，耦合效率较低，一定程度上降低了器件的集成度。
实施例3
一种高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，包括如下步骤：
S1、对衬底1进行清洗后，利用等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）在衬底正面沉积生长一层二氧化硅薄膜，用以保护离子注入掺杂过程中的硅波导表面；衬底1为标准SOI（绝缘体上硅）衬底；
S2、旋涂光刻胶，利用光刻将需要进行N型掺杂的图形区域转移到光刻胶图层上；
S3、利用离子注入的方式将N型离子掺杂进入单晶硅材料中；
S4、祛除光刻胶，利用湿法刻蚀移除起保护作用的二氧化硅掩膜层，露出经过N型掺杂的单晶硅表面，即为N型掺杂波导3；
S5、利用PECVD法在N型掺杂波导3表面重新沉积生长一层薄二氧化硅层（厚度约20nm），形成利于载流子积累的无掺杂电容层4；
S6、在无掺杂电容层4上利用LPCVD（低压化学气相沉积法）生长一层多晶硅波导层，并利用离子注入等方式对多晶硅波导层进行P型掺杂，得到P型掺杂波导5；
S7、利用RTA快速退火技术对整体结构热退火，激活之前掺杂的P型和N型元素离子；
S8、利用PECVD在P型掺杂波导5表面生长一层二氧化硅掩膜；
S9、旋涂光刻胶，利用光刻将光波导图形转移到光刻胶涂层上，并利用干法刻蚀二氧化硅掩膜，将图形转移到二氧化硅掩膜上；
S10、祛除光刻胶，并利用干法刻蚀P型掺杂波导（P型多晶硅）、无掺杂电容层（薄二氧化硅）；部分刻蚀N型单晶硅层（N型掺杂波导3），得到下电极201；
S11、通过标准工艺流程定义电极与金属互连结构。
实施例4
一种高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，其中如下步骤与实施例1不同：
步骤S4中利用干法刻蚀移除起保护作用的二氧化硅掩膜层；
步骤S5中利用表面氧化技术在N型掺杂波导3表面重新沉积生长一层薄二氧化硅层。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.高分辨垂直光学相位调制阵列，其特征在于，包括：衬底、光波导调制器阵列，所述光波导调制器阵列位于衬底上；
所述光波导调制器阵列包括多组并列排布的光波导调制器，每组光波导调制器在垂直方向的结构从下至上依次为N型掺杂导电区、N型掺杂波导、无掺杂电容层、P型掺杂波导、上电极；
所述N型掺杂导电区包括下电极，下电极位于N型掺杂导电区上，每组光波导调制器在水平方向共用所述下电极；
所述无掺杂电容层的厚度为15-25nm；
所述上电极为P型区电极；所述下电极为N型区电极；调制过程中通过对各个上电极施加电压信号以实现调制。
2.根据权利要求1所述的高分辨垂直光学相位调制阵列，其特征在于：所述下电极沿传播方向独立分组。
3.根据权利要求2所述的高分辨垂直光学相位调制阵列，其特征在于：所述衬底为绝缘体上硅衬底、磷化铟衬底或薄膜铌酸锂衬底。
4.根据权利要求3所述的高分辨垂直光学相位调制阵列，其特征在于：所述N型掺杂导电区还包括渐变掺杂N型导电区，所述下电极、渐变掺杂N型导电区位于N型掺杂导电区的不同位置上；N型掺杂波导位于渐变掺杂N型导电区上。
5.根据权利要求4所述的高分辨垂直光学相位调制阵列，其特征在于：所述的波导为硅基波导。
6.权利要求1所述的高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、清洗衬底，在衬底正面沉积生长一层硅基掩膜层；
S2、旋涂光刻胶，利用光刻将需要进行N型掺杂的图形区域转移到光刻胶图层上；
S3、注入N型掺杂离子；
S4、祛除光刻胶，移除所述硅基掩膜层，露出经过N型掺杂的单晶硅表面，即为N型掺杂波导；
S5、在所述N型掺杂波导表面重新沉积生长一层薄二氧化硅层，形成利于载流子积累的无掺杂电容层；
S6、在无掺杂电容层上生长一层多晶硅波导层，注入P型掺杂离子，得到P型掺杂波导；
S7、对整体结构热退火，激活掺杂的P型和N型元素离子；
S8、在P型掺杂波导表面生长一层二氧化硅掩膜；
S9、旋涂光刻胶，利用光刻将光波导图形转移到光刻胶涂层上，并利用干法刻蚀二氧化硅掩膜，将图形转移到二氧化硅掩膜上；
S10、祛除光刻胶，并利用干法刻蚀P型掺杂波导、无掺杂电容层；部分刻蚀N型掺杂波导，得到下电极；
S11、通过标准工艺流程定义电极与金属互连结构。
7.根据权利要求6所述的高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的硅基掩膜层为二氧化硅或氮化硅掩膜层，所述沉积的方法为等离子体增强化学的气相沉积法。
8.根据权利要求7所述的高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中移除所述硅基掩膜层的方法为湿法刻蚀或干法刻蚀。
9.根据权利要求8所述的高分辨垂直光学相位调制阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中沉积的方法为等离子体增强化学的气相沉积法或表面氧化法。
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