CN116520486B - 可重构的波分解复用器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种可重构的波分解复用器及其制备方法。该波分解复用器包括器件层，波分解复用器为阵列波导光栅，该器件层的结构包括入射波导、输入平板波导、阵列波导结构、输出平板波导以及多个输出波导，其中，输入平板波导与入射波导耦合，阵列波导结构耦合在输入平板波导与输出平板波导之间，输出平板波导与多个输出波导耦合，在阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域填充有相变材料。本申请能够有效地解决片上波分解复用器件受工艺影响较大和调节困难的问题。
Description
技术领域
本申请涉及片上光通信技术领域，尤其涉及一种可重构的波分解复用器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着计算机技术和通信技术的高速发展，光纤通信的巨大优势显得格外重要，同时也推动了全光网络的诞生。波分复用技术是光通信技术的基础，是一项基于光学域的复用技术，能够在单根光纤中传输多个不同波长的信号，每个波长对应一个通道，可在同一光纤中互不干涉地进行传输，充分利用了光纤的巨大带宽资源。
波分复用技术也广泛应用于片上光通信领域，常见的片上波分解复用器有：阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating, AWG），刻蚀衍射光栅（Edge DiffractionGrating, EDG）和微环谐振器（Micro-ring Resonators, MRR）等，具有较高的集成度，适用于实现大通道数、窄通道间隔的波分复用，同时还具有低成本、高性能的优势，能够实现大规模的生产。片上波分解复用器有着紧凑的器件面积，因此不可避免地受工艺误差影响很大，导致器件性能与设计值偏差较大，对整个光通信系统造成负面的影响。当前常见的解决方案是对器件进行热调，这种方法虽能修正器件光谱，但调节程度有限，且持续能耗较高，还需在片上集成热电极，工艺流程相对复杂。
发明内容
本申请的目的在于提供一种可重构的波分解复用器及其制备方法，能够有效地解决片上波分解复用器件受工艺影响较大和调节困难的问题。
本申请的一个方面提供一种可重构的波分解复用器。所述波分解复用器包括器件层，所述波分解复用器为阵列波导光栅，所述器件层的结构包括入射波导、输入平板波导、阵列波导结构、输出平板波导以及多个输出波导，其中，所述输入平板波导与所述入射波导耦合，所述阵列波导结构耦合在所述输入平板波导与所述输出平板波导之间，所述输出平板波导与所述多个输出波导耦合，在所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域填充有相变材料。
进一步地，所述波分解复用器还包括基底层及包层，所述器件层形成于所述基底层上，所述包层形成于所述器件层上。
进一步地，所述包层包括二氧化硅包层，所述基底层包括硅衬底以及形成于所述硅衬底上的二氧化硅衬底。
进一步地，所述阵列波导结构中每根阵列波导的长度不同，并且，所述阵列波导结构中相邻阵列波导之间的长度差恒定。
进一步地，所述阵列波导结构中相邻阵列波导之间的长度差为固定常数，所述固定常数如以下公式所示：
其中，代表所述相邻阵列波导之间的长度差，/>代表所述波分解复用器的衍射级数，/>代表所述波分解复用器的中心波长，/>代表所述阵列波导结构对应所述中心波长的有效折射率。
进一步地，所述阵列波导结构中的每根阵列波导包括直波导和弯曲波导。
进一步地，每根阵列波导中的所述弯曲波导的长度相同，相邻阵列波导之间的长度差由所述直波导提供。
进一步地，所述波分解复用器具有多个输出通道，所述输出通道的数量与所述输出波导的数量相同，所述多个输出通道中相邻输出通道的输出光波长具有相同的波长差。
进一步地，所述相变材料具有在不同的外部激励信号激励下可逆相变的晶态与非晶态，所述相变材料在所述晶态与所述非晶态下具有不同的折射率。
进一步地，所述相变材料在所述晶态与所述非晶态下的折射率均小于硅的折射率。
进一步地，所述外部激励信号包括光信号、电信号和热信号中的其中一种。
进一步地，所述相变材料还具有受不同强度的外部激励信号激励下在所述晶态与所述非晶态之间的中间相态。
本申请的另一个方面提供一种可重构的波分解复用器的制备方法。所述制备方法包括：波分解复用器结构制备步骤：在SOI基底上制备波分解复用器结构，所述波分解复用器结构包括阵列波导结构；相变调控区域制备步骤：在制备好的所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域沉积相变材料；包层制备步骤：在所述SOI基底和所述相变材料的表面沉积二氧化硅包层；以及重构步骤：在沉积所述相变材料的区域施加外部激励信号来改变所述相变材料的晶态以实现所述波分解复用器的重构。
进一步地，所述在SOI基底上制备波分解复用器结构包括：在所述SOI基底上经一次光刻和刻蚀，在所述SOI基底上制备出所述阵列波导结构。
进一步地，所述在制备好的所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域沉积相变材料包括：在制备好所述阵列波导结构的SOI基底上经二次光刻，暴露出所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域；及通过磁控溅射在所述相邻阵列波导之间的区域沉积所述相变材料。
本申请一个或多个实施例的波分解复用器及其制备方法至少可以具有以下有益技术效果：
（1）本申请可以基于标准的CMOS硅基工艺，在波分解复用器的结构中混合集成相变材料，可以通过外部激励信号直接触发相变材料的晶态变化，实现波分解复用器的重构，简单易行；
（2）本申请填充的相变材料通常具有理想的晶化时间及良好的非易失性，晶态、非晶态之间有着中间相态，仅需一次外部激励信号触发、退火即可处于稳定的工作状态，无需精密对准系统，且没有持续的能耗需求，极大提升了波分解复用器的应用场景，降低了对于高精度工艺的依赖性。
附图说明
图1为本申请一个实施例的可重构的波分解复用器的结构图。
图2为本申请一个实施例的阵列波导结构对应区域的截面结构示意图。
图3为本申请一个实施例的在波分解复用器的中心波长下相变材料折射率变化导致的阵列波导结构的有效折射率变化的曲线图。
图4为本申请一个实施例的初始状态阵列波导结构的有效折射率对应工作波长的关系图。
图5为本申请一个实施例的可重构的波分解复用器的制备方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供了一种可重构的波分解复用器及其制备方法。本申请可以基于常规SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）基底和CMOS（Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺实现可灵活重构的波分解复用器，能够应用于集成光通信芯片中，有效地解决片上波分解复用器件受工艺影响较大和调节困难的问题。
本申请的一个实施例提供了一种可重构的波分解复用器10。图1揭示了本申请一个实施例的可重构的波分解复用器10的结构图。如图1所示，本申请一个实施例的波分解复用器10为阵列波导光栅。该波分解复用器10包括器件层102（如图2所示），器件层102的结构包括入射波导11、输入平板波导12、阵列波导结构13、输出平板波导14以及多个输出波导15。其中，输入平板波导12与入射波导11耦合，输入平板波导12用于将通过入射波导11入射的光进行发散。阵列波导结构13耦合在输入平板波导12与输出平板波导14之间。阵列波导结构13用于对输入的不同波长的光产生不同的相位差异。输出平板波导14与多个输出波导15耦合。输出平板波导14用于将通过阵列波导结构13出射的具有不同相位的光进行聚焦，在经过输出平板波导14之后，不同相位的光的聚焦位置不同，并最终分别通过对应的输出波导15输出。从而，在接收端将不同波长的光分开。
图2揭示了本申请一个实施例的阵列波导结构13对应区域的截面结构示意图。如图2所示，在本申请的阵列波导结构13中的相邻阵列波导131之间的区域填充有相变材料132。相变材料132可以磁控溅射的方式填充在相邻阵列波导131之间的区域。
继续参照图2，本申请实施例的可重构的波分解复用器10还包括基底层及包层103，器件层102形成于基底层上，包层103形成于器件层102上。在一些实施例中，本申请的包层103包括二氧化硅（SiO2）包层，基底层包括硅（Si）衬底（未图示）以及形成于硅衬底上的二氧化硅（SiO2）衬底101。
本申请实施例的器件层102上下分别被位于底层的SiO2衬底和位于上层的SiO2包层103所包裹，器件层102中阵列波导结构13中的阵列波导131区域的周围被相变材料132填充，其余组成部分周围被SiO2包裹。
填充在相邻阵列波导131之间的相变材料132具有在不同的外部激励信号激励下可逆相变的晶态与非晶态，相变材料132在晶态与非晶态下具有不同的折射率。并且，相变材料132在晶态与非晶态下的折射率均小于硅的折射率。
相变材料132还可以具有受不同强度的外部激励信号激励下在晶态与非晶态之间的中间相态。
外部激励信号例如可以包括光信号、电信号和热信号中的其中一种。
本申请实施例的可重构的波分解复用器10可以通过在阵列波导结构13对应的区域施加适当的外部激励信号，可将相变材料132由晶态转化为非晶态或中间相态，并且这一过程是可逆的。应用过程中通过调节外部激励信号的强度，可灵活控制相变材料132的相态，对阵列波导结构13的有效折射率加以调控，实现波分解复用器10的光谱重构。得益于相变材料132的非易失性，本申请无需持续大量能耗即可实现波分解复用器10的重构。
本申请实施例的可重构的波分解复用器10可以根据应用场景需求，选择不同强度的外部激励信号作用于相变材料132对应的区域，通过改变相变材料132的晶态，实现阵列波导结构13的有效折射率的变化，从而改变波分解复用器10的光谱，实现波分解复用器10的重构。
本申请实施例的可重构的波分解复用器10简单易行，基于标准CMOS工艺，无需传统加热电极即可实现波分解复用器10光谱性能的重构，极大降低了工艺误差对器件性能的影响，且具有良好的非易失性。
在一些实施例中，本申请的阵列波导结构13中每根阵列波导131的长度不同，并且，阵列波导结构13中相邻阵列波导131之间的长度差恒定。
在一些实施例中，阵列波导结构13中相邻阵列波导131之间的长度差为固定常数，例如，相邻阵列波导131之间的长度差如以下公式所示：
（1）
其中，代表相邻阵列波导131之间的长度差，/>代表波分解复用器10的衍射级数，/>代表波分解复用器10的中心波长，/>代表阵列波导结构13对应中心波长的有效折射率。
如图1所示，在一些实施例中，本申请的阵列波导结构13中的每根阵列波导131包括直波导（未标号）和弯曲波导（未标号）。其中，每根阵列波导131中的弯曲波导的长度相同，相邻阵列波导131之间的长度差由直波导提供。
在一些实施例中，本申请的波分解复用器10具有多个输出通道，输出通道的数量与输出波导15的数量相同，例如，波分解复用器10具有N个输出通道，则波分解复用器10包括N个输出波导15。多个输出通道中相邻输出通道的输出光波长具有相同的波长差。
以下给出了本申请的可重构的波分解复用器10的一个示意性示例。
在该示例中，波分解复用器10采用了阵列波导光栅，波分解复用器10具有四个输出波导15，相应地，波分解复用器10具有四个输出通道，每个输出通道的波长间隔为20nm（纳米），波分解复用器10的中心波长=1550nm，其中，阵列波导结构13中包含十七根阵列波导131，相邻阵列波导131之间的长度差/>为19.375um（微米），输入平板波导12和输出平板波导14的尺寸相同、半径为45um。在该示例中，填充的相变材料132为二氧化钒，其具有金属相态和绝缘相态两种状态，折射率分别为3.1和2.1。在该示例中，相变材料132的初始晶态为绝缘相态，触发信号选择外部光信号直接触发，无需精密光学对准系统，直接作用于相变材料132对应的区域。
根据实际应用场景需求，可使用外部激励信号作用于相变材料132的调控区域，使其由晶态转换为非晶态或中间相态，从而可以得到不同的二氧化钒折射率，使得阵列波导结构13的有效折射率随之变化，阵列波导结构13对应中心波长的有效折射率与波分解复用器10的中心波长/>、相邻阵列波导131之间的长度差/>之间的关系如以上公式（1）所示。当阵列波导结构13对应中心波长的有效折射率/>发生变化时，阵列波导结构13的光谱也随之移动，实现了波分解复用器10应用的重构。
图3揭示了本申请一个实施例的在波分解复用器的中心波长下相变材料132折射率变化导致的阵列波导结构13的有效折射率变化的曲线图；图4揭示了本申请一个实施例的初始状态阵列波导结构13的有效折射率对应工作波长的关系图。由图3和图4可知，对于本示例中的阵列波导结构13，阵列波导在波分解复用器的中心波长1550nm条件下，当相变材料二氧化钒由绝缘相态转化为金属相态时，相变材料132折射率由2.1变化至3.1，此时提供长度差的阵列波导结构13的有效折射率由2.85变化至3.02；但以同种结构保持相变材料二氧化钒为金属相态，阵列波导的工作波长由1550nm变化至1300nm时，阵列波导结构13的有效折射率由2.85变化至3.02，由此可通过外部激励信号的调控来实现本申请的波分解复用器10应用场景的大范围重构。
本申请的另一个实施例还提供了一种可重构的波分解复用器10的制备方法。图5揭示了本申请一个实施例的波分解复用器10的制备方法的流程图。如图5所示，本申请一个实施例的波分解复用器10的制备方法可以包括步骤S1至步骤S4。
在步骤S1中，波分解复用器结构制备步骤：在SOI基底上制备波分解复用器结构，波分解复用器结构包括阵列波导结构13。
在一些实施例中，在SOI基底上制备波分解复用器结构可以包括：在SOI基底上经一次光刻和刻蚀，在SOI基底上制备出阵列波导结构13。
当然，本申请的步骤S1的波分解复用器结构制备步骤还包括：在SOI基底上经一次光刻和刻蚀，在SOI基底上制备出入射波导、与入射波导耦合的输入平板波导12、输出平板波导14以及与输出平板波导14耦合的多个输出波导15，其中，阵列波导结构13耦合在输入平板波导12与输出平板波导14之间。
在步骤S2中，相变调控区域制备步骤：在制备好的阵列波导结构13中的相邻阵列波导131之间的区域沉积相变材料132。
在一些实施例中，可以在制备好阵列波导结构13的SOI基底上经二次光刻，暴露出阵列波导结构13中的相邻阵列波导131之间的区域；然后，可以通过磁控溅射在相邻阵列波导131之间的区域沉积相变材料132。
在步骤S3中，包层制备步骤：在SOI基底和相变材料132的表面沉积二氧化硅包层103。
在步骤S4中，重构步骤：在沉积相变材料132的区域施加外部激励信号来改变相变材料132的晶态以实现波分解复用器10的重构。
与现有技术相比，本申请实施例的可重构的波分解复用器10及其制备方法至少可以具有以下有益技术效果：
（1）本申请可以基于标准的CMOS硅基工艺，在波分解复用器的结构中混合集成相变材料132，可以通过外部激励信号直接触发相变材料132的晶态变化，实现波分解复用器10的重构，简单易行；
（2）本申请填充的相变材料132通常具有理想的晶化时间及良好的非易失性，晶态、非晶态之间有着中间相态，仅需一次外部激励信号触发、退火即可处于稳定的工作状态，无需精密对准系统，且没有持续的能耗需求，极大提升了波分解复用器10的应用场景，降低了对于高精度工艺的依赖性。
以上对本申请实施例所提供的可重构的波分解复用器及其制备方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的可重构的波分解复用器及其制备方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (15)
1.一种可重构的波分解复用器，其特征在于：包括器件层，所述波分解复用器为阵列波导光栅，所述器件层的结构包括入射波导、输入平板波导、阵列波导结构、输出平板波导以及多个输出波导，其中，所述输入平板波导与所述入射波导耦合，所述阵列波导结构耦合在所述输入平板波导与所述输出平板波导之间，所述输出平板波导与所述多个输出波导耦合，在所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域填充有相变材料。
2.如权利要求1所述的波分解复用器，其特征在于：还包括基底层及包层，所述器件层形成于所述基底层上，所述包层形成于所述器件层上。
3.如权利要求2所述的波分解复用器，其特征在于：所述包层包括二氧化硅包层，所述基底层包括硅衬底以及形成于所述硅衬底上的二氧化硅衬底。
4.如权利要求1至3中任一项所述的波分解复用器，其特征在于：所述阵列波导结构中每根阵列波导的长度不同，并且，所述阵列波导结构中相邻阵列波导之间的长度差恒定。
5.如权利要求4所述的波分解复用器，其特征在于：所述阵列波导结构中相邻阵列波导之间的长度差为固定常数，所述固定常数如以下公式所示：
其中， 代表所述相邻阵列波导之间的长度差， />代表所述波分解复用器的衍射级数， />代表所述波分解复用器的中心波长， />代表所述阵列波导结构对应所述中心波长的有效折射率。
6.如权利要求4所述的波分解复用器，其特征在于：所述阵列波导结构中的每根阵列波导包括直波导和弯曲波导。
7.如权利要求6所述的波分解复用器，其特征在于：每根阵列波导中的所述弯曲波导的长度相同，相邻阵列波导之间的长度差由所述直波导提供。
8.如权利要求5所述的波分解复用器，其特征在于：所述波分解复用器具有多个输出通道，所述输出通道的数量与所述输出波导的数量相同，所述多个输出通道中相邻输出通道的输出光波长具有相同的波长差。
9.如权利要求1至3中任一项所述的波分解复用器，其特征在于：所述相变材料具有在不同的外部激励信号激励下可逆相变的晶态与非晶态，所述相变材料在所述晶态与所述非晶态下具有不同的折射率。
10.如权利要求9所述的波分解复用器，其特征在于：所述相变材料在所述晶态与所述非晶态下的折射率均小于硅的折射率。
11.如权利要求9所述的波分解复用器，其特征在于：所述外部激励信号包括光信号、电信号和热信号中的其中一种。
12.如权利要求9所述的波分解复用器，其特征在于：所述相变材料还具有受不同强度的外部激励信号激励下在所述晶态与所述非晶态之间的中间相态。
13.一种可重构的波分解复用器的制备方法，其特征在于：包括：
波分解复用器结构制备步骤：在SOI基底上制备波分解复用器结构，所述波分解复用器结构包括阵列波导结构；
相变调控区域制备步骤：在制备好的所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域沉积相变材料；
包层制备步骤：在所述SOI基底和所述相变材料的表面沉积二氧化硅包层；以及
重构步骤：在沉积所述相变材料的区域施加外部激励信号来改变所述相变材料的晶态以实现所述波分解复用器的重构。
14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于：所述在SOI基底上制备波分解复用器结构包括：
在所述SOI基底上经一次光刻和刻蚀，在所述SOI基底上制备出所述阵列波导结构。
15.如权利要求14所述的制备方法，其特征在于：所述在制备好的所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域沉积相变材料包括：
在制备好所述阵列波导结构的SOI基底上经二次光刻，暴露出所述阵列波导结构中的相邻阵列波导之间的区域；及
通过磁控溅射在所述相邻阵列波导之间的区域沉积所述相变材料。
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