CN116661209A - 一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件 - Google Patents

一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，该器件包括依次设置的第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器和第三MZI电光调制器；第一MZI电光调制器和第二MZI电光调制器组成自耦合结构，接收单波长的光源并对光信号进行调制；第三MZI电光调制器接收自耦合结构输出的光信号并进行调制，输出光频率梳信号。第一MZI电光调制器与第二MZI电光调制器共同构成单端口推挽驱动形式。本发明均是在硅基SOI晶圆上制备，实现硅基光电子集成，有效降低光频率梳的体积和驱动电压、提高工作稳定度。

Description

一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件
技术领域
本发明涉及一种光频率梳生成器件，属于集成器件技术领域；尤其涉及一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件。
背景技术
光频率梳生成器件在光通信、量子密钥分发、微波光子学等领域有着重要应用。
通常情况下，光学频率梳生成的主要方法有锁模激光器生成、微腔克尔非线性生成、光电调制器生成。利用微腔克尔非线性生成光学频率梳，虽然可以实现较多的频率齿线，但需要精密的温度控制装置保证谐振波长的稳定。利用锁模激光器生成光频率梳，具备稳定性高的优势，但存在装置复杂，难以实现小型化、集成化的问题。采用电光调制器生成的光频率梳的方法，具备中心频率易于调节的特点，重复频率可控，但存在齿线较少的问题，通过大幅增加电光调制器的驱动电压可以增加齿线数，但又带来的功耗增加的问题。在光频梳的实际应用场景中，小型、多齿线和低驱动电压的光频梳生成尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，用以解决现有光频梳存在的难以兼顾结构简单、多齿线和驱动功耗低的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的技术方案，包括自耦合回路，所述自耦合回路包括第一MZI电光调制器和第二MZI电光调制器，所述第一MZI电光调制器的一个输出端口连接到第二MZI电光调制器的一个输入端口，再从第二MZI电光调制器的输出端口连接回到第一MZI电光调制器的一个输入端口；所述第一MZI电光调制器的另一个输出端口连接下级光电调制器的输入端口；下级光电调制器的输出端口作为光频率梳生成器件的输出端，第一MZI电光调制器的另一个输入端口作为光频率梳生成器件的输入端。
本发明的光频率梳生成器件，第一MZI电光调制器输出的一路光经过第二MZI电光调制器耦合回到第一MZI电光调制器的输入端口构成自耦合回路，该路光会与另一路输入的相干非谐振光在输出时产生干涉，依据法诺谐振原理，其输出频谱谱线呈现非对称形状，可实现低电压驱动的强度调制，与典型电光调制器光频梳生成器件相比，在相同驱动电压下实现更多的齿线输出。
进一步地，所述下级光电调制器包括第三MZI电光调制器，第三MZI电光调制器的输入端口为下级光电调制器的输入端口，第三MZI电光调制器的输出端口为下级光电调制器的输出端口。
进一步地，第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器和第三MZI电光调制器之间通过硅波导进行连接。
本发明使用MZI自耦合结构，产生类比微环谐振腔结构的谐振作用以实现法诺谐振，并且可以通过调整第一MZI电光调制器的工作点，控制法诺谐振的特性，调节输出频谱，具备稳定和易于控制的特点。
进一步地，所述第一MZI电光调制器与第二MZI电光调制器的两个相邻的MZI干涉臂长度相同且平行对齐设置；两个相邻的干涉臂的波导均嵌入PN结结构，这两个PN结之间设置N型高浓度掺杂区域，两个PN结在两干涉臂外侧方向分别设置P型高浓度掺杂区域；两个PN结的N型粒子掺杂区域与N型高浓度掺杂区域相接，构成背靠背串联的增强型PN结结构。
进一步地，两个所述P型高浓度掺杂区域之间加载高速驱动信号，其中一个P型高浓度掺杂区域与N型高浓度掺杂区域之间加载直流偏置信号，构成单端口推挽驱动形式。
第一MZI电光调制器与所述第二MZI电光调制器的平行对齐放置，使得这两个MZI电光调制器中相邻的两个调制臂构成单端口推挽驱动方式。
进一步地，所述下级光电调制器包括第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器，所述第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器形成与第一MZI电光调制器和第二MZI电光调制器相同的自耦合回路，所述第三MZI电光调制器的一个输出接口连接第四MZI电光调制器的输入接口，所述第四MZI电光调制器的一个输出接口连接第三MZI电光调制器的一个输入接口，第四MZI电光调制器的另一个输出接口连接第二MZI电光调制器的另一个输入接口；所述第三MZI电光调制器的另一个输入端口为下级光电调制器的输入端口，第三MZI电光调制器的另一个输出端口为下级光电调制器的输出端口。
进一步地，第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器、第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器之间通过硅波导进行连接。
进一步地，所述第三MZI电光调制器与第四MZI电光调制器的两个相邻的MZI干涉臂长度相同且平行对齐设置；两个相邻的干涉臂的波导均嵌入PN结结构，这两个PN结之间设置N型高浓度掺杂区域，两个PN结在两干涉臂外侧方向分别设置P型高浓度掺杂区域；两个PN结的N型粒子掺杂区域与N型高浓度掺杂区域相接，构成背靠背串联的增强型PN结结构；两个所述P型高浓度掺杂区域之间加载高速驱动信号，其中一个P型高浓度掺杂区域与N型高浓度掺杂区域之间加载直流偏置信号，构成单端口推挽驱动形式。
进一步地，通过如下步骤制作所述增强型PN结结构：
1)制作用于形成P型高浓度掺杂的第一载流子区的光刻胶保护层，将P型离子注入第一载流子区并达到预设浓度；
2)制作用于形成N型高浓度掺杂的第二载流子区的光刻胶保护层，将N型离子注入第二载流子区并达到预设浓度；
3)制作用于PN结P型粒子掺杂的第三载流子区的光刻胶保护层，将P型离子注入第三载流子区；
4)在所述第三载流子区的上方设置第四载流子区，将N型离子注入第四载流子区；
5)制作用于PN结N型粒子掺杂的第五载流子区的光刻胶保护层，将N型离子注入第五载流子区，并使第四载流子区和第五载流子区中的N型离子连通。
进一步地，是将各个MZI电光调制器在硅基SOI晶圆上，采用硅光工艺进行制备得到的。
本发明将上述器件均采用硅基芯片可以提高芯片的集成度，降低器件的制备成本。
本发明的光频率梳生成器件工作时，激光器输出的连续光通过光纤波导耦合器进入本发明所述第一MZI电光调制器的第一个输入端口，所述热光移相器设置MZI的工作点，第一MZI电光调制器输出两路光信号，其中一路输出的信号光耦合到所述第二MZI电光调制器，所述第一MZI电光调制器与所述第二MZI电光调制器构成单端口推挽驱动形式，可对该路信号光进行调制，调制后的光输出回所述第一MZI电光调制器的第二个输入口，构成耦合回路，该路光称为耦合光。所述耦合光与所述第一MZI电光调制器的第一输入端口的输入光产生干涉，在所述第一MZI电光调制器的第二输出端口输出到所述第三MZI电光调制器的输入口，所述第三MZI调制器进行调制后输出生成光频率梳。本发明的光频率梳生成器件的结构可在较小的电压驱动下达成幅值的快速变化，实现低电压调制。
附图说明
图1为本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件实施例1的原理示意图；
图2为本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件实施例1的结构示意图；
图3为图2虚线处第一MZI电光调制器和第二MZI电光调制器相邻调制臂构成的单端口推挽驱动结构的截面示意图；
图4(a)本发明实施例的PN结的离子注入工艺步骤S100示意图；
图4(b)本发明实施例的PN结的离子注入工艺步骤S200示意图；
图4(c)本发明实施例的PN结的离子注入工艺步骤S300示意图；
图4(d)本发明实施例的PN结的离子注入工艺步骤S400示意图；
图4(e)本发明实施例的PN结的离子注入工艺步骤S500示意图；
图5为本发明实施例中自耦合结构的输出频谱；
图6为本发明实施例与MZI归一化输出频谱示意图；
图7为本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件输出仿真示意图；
图8为本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件实施例2的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
先请参阅图1和图2，图1所示为本发明实施例1的一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的结构，图2为本发明一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件实施例1的外观整体结构。
如图1所示，本发明的一种马赫曾德尔干涉(MZI)自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，包括第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器、第三MZI电光调制器。其中第一MZI电光调制器的一个输出端口port14与第二MZI电光调制器的输入端口port22通过硅波导连接，第二MZI电光调制器的输出端口port21与第一MZI电光调制器的一个输入端口port12连接，这样第一MZI电光调制器与第二MZI电光调制器构成自耦合结构，第一MZI电光调制器的第二输出端口port13与第三MZI电光调制器的输入端口port31连接；第一MZI电光调制器的另一个输入端口port11构成本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的输入端，第三MZI电光调制器的输出端口port32构成本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的输出端。
本实施例中，第二和第三MZI电光调制器中的MZI结构可以是1×1端口的MZI结构，也可为是2×2端口的MZI结构，第一MZI电光调制器中的MZI结构采用2×2端口的MZI结构。
本实施例工作时，激光器输出的连续光通过光纤波导耦合器，从本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的输入端port11端口输入至第一MZI电光调制器，光在第一MZI电光调制器中分成两路，经过电光调制后在第一MZI电光调制器中的2×2MMI(多模干涉仪)产生干涉，分别从第一MZI电光调制器的两个输出端口port13和port14端口输出，其中port14输出的光输入到第二MZI电光调制器的输入端口port22，经过第二MZI电光调制器调制后从其输出端口port21输出，又耦合回到第一MZI电光调制器的输入端口port12，构成自耦合回路，该路光为耦合光。
该耦合光与从本发明的光频率梳生成器件的输入端port11端口输入的非耦合光产生干涉后在第一MZI电光调制器的输出端port13端口输出。
通过调节所述第一MZI电光调制器的热光移相器可控制调制器的工作点，调节第一MZI电光调制器的输出端port13和port14端口输出频谱的特性。
第一MZI电光调制器中MZI上干涉臂与第二MZI电光调制器中MZI下干涉臂长度相同且平行对齐放置，第一MZI电光调制器的上干涉臂波导嵌入PN结结构，第二MZI电光调制器的下干涉臂波导嵌入PN结结构，这两臂组成的内侧为N型高浓度掺杂区域，两臂组成的外侧为P型高浓度掺杂区域，构成背靠背的串联PN结结构。基于该背靠背的串联PN结结构，结合CPS(共面带状线)行波电极组成单端口推挽驱动的电光调制器结构。
图3所示为图2虚线对应的单端口推挽结构截面图，分别对第一MZI电光调制器中MZI的上干涉臂和第二MZI电光调制器中MZI的下干涉臂嵌入PN结结构，两个干涉臂的外侧由外到内分别进行P型离子高浓度掺杂和P型离子低浓度掺杂，两个干涉臂内侧由内到外进行N型离子高浓度掺杂和N型离子低浓度掺杂。高速驱动信号通过电极和通孔加载到P型高浓度掺杂区域、直流偏置信号通过电极和通孔加载到N型高浓度掺杂区域，可以根据预设调制方式对光波进行强度调制。
如图2、图3所示，具体结构包括：
硅基衬底1。
二氧化硅下包层2，该下包层制作在硅基衬底1上，厚度等于2～3um。
硅波导层3，该波导层制作在下包层2上，波导结构采用凸型的脊型波导结构，波导高度为220nm，宽度为450nm～600nm，仅支持TE0模的传输，对脊型波导进行低浓度掺杂，形成耗尽区增强型PN结结构区，包括P型离子低浓度掺杂P区31和N型离子低浓度掺杂N区32，掺杂浓度在1017cm-3～1018cm-3之间，波导两侧平板层的高度可以设置为60nm～90nm，分别进行高浓度的离子掺杂形成N型离子高浓度掺杂N++区33和P型离子高浓度掺杂P++区34，掺杂浓度大于1020cm-3，平板层高浓度掺杂边缘距离波导芯区的侧边0.4um～1um。
上包层4，该上包层制作于硅波导层3上，该上包层的材料为二氧化硅，厚度在0.5～2.0um，上包层4中制作有第一层通孔导体7和第二层通孔导体8，材料为铝、铜、金。
第一层电极5，制作于包层4中，材料为铝、铜、金。
第二层电极6，制作于包层4上，材料为铝、铜、金。
第一层通孔导体7用于连接第一层电极5和硅波导，第二层通孔导体8用于连接第二层电极6和第一层电极5。
高频电信号Vs加载到两个第一层的高速电极上并与硅波导P型离子高浓度掺杂P++区连接，反向偏置电压Vb一端加载到加载第二层电极6，另一端加载到第一层直流电极并与与硅波导N型离子高浓度掺杂N++区相连。
第三MZI电光调制器两臂之间进行N型掺杂，两臂外侧进行P型掺杂，组成背靠背PN结，结合CPS行波电极构成单端口推挽驱动的电光调制器结构。
第一、第二和第三MZI电光调制器采用硅光工艺制备，构成自下而上依次是硅衬底、二氧化硅下包层、硅波导层、二氧化硅上包层、第一层电极、第二层电极。
二氧化硅上包层中有铝材料或者铜材料构成的通孔导体，第一电极层与第二电极层通过通孔导体相连，第一电极层与波导层通过通孔导体相连。
所述硅波导层是由中间凸状的脊型波导和两侧的平板波导构成，所述的凸型波导可进行低浓度离子掺杂形成低掺杂区，所述的平板波导可进行高浓度离子掺杂形成高掺杂区。
形成硅波导层的增强型PN结结构掺杂工艺如图4(a)～图4(e)所示，包括如下步骤：
S100，制作用于形成P++的第一载流子区的光刻胶保护层，将P型离子注入第一载流子区并达到预设浓度，如图4(a)所示；
S200，制作用于形成N++的第二载流子区的光刻胶保护层，将N型离子注入第二载流子区并达到预设浓度，如图4(b)所示；
S300，制作用于P型低浓度掺杂的第三载流子区的光刻胶保护层，将P型离子注入第三载流子区，如图4(c)所示；
S400，在第三载流子区的上方设置第四载流子区，将N型离子注入第四载流子区，如图4(d)所示；
S500，制作用于N型低浓度掺杂的第五载流子区的光刻胶保护层，将N型离子注入第五载流子区，并使第四载流子区和第五载流子区中的N型离子连通，如图4(e)所示。
整个自耦合回路，即Port12和Port14通过第二MZI电光调制器连接，构建成一种法诺谐振结构，输出频谱如图5所示。
传统的单个MZI调制器与本发明相比较，在相同半波电压下，波长是1560.546nm的归一化输出频谱如图6所示，本发明马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的结构可在较小的电压驱动下达成幅值的快速变化，实现低电压调制。
经过第一MZI电光调制器调制后的输出光，与通常MZI结构的电光调制器相比，在相同的驱动电压下，能够比传统的单MZI结构的电光调制器产生更多的高次谐波，从第一MZI电光调制器的输出端口port13输出到第三MZI电光调制器的输入端口port31，经过第三MZI电光调制器进行调制后从第三MZI电光调制器的输出端口也即本发明的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件的输出端port32输出，形成更多齿线的光频率梳。图7为根据本发明的光频率梳输出仿真示意图。
根据本发明的实施例，相关器件都是在绝缘体衬底上的硅(SOI)晶圆上制备，波导结构设计为仅满足TE模传输。需要说明的是，将上述器件均采用硅基芯片可以提高芯片的集成度，降低器件的制备成本。
实施例2：
如图8所示，为本发明另一种实施方式的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，与实施例1不同，该实施例包括第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器、第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器。
光从第一MZI电光调制器的端口port11输入，从第三MZI电光调制器的端口port33输出，第一MZI电光调制器的port14端口与第二MZI电光调制器的port23端口连接，第二MZI电光调制器的port21端口与第一MZI电光调制器的port12端口连接，第三MZI电光调制器的port34端口与第四MZI电光调制器的port43端口连接，第四MZI电光调制器的port41端口与第三MZI电光调制器的port32端口连接，第二MZI电光调制器的port24端口与第四MZI电光调制器的port42端口连接。本实施例中的MZI电光调制器的结构与实施例1中的MZI电光调制器的结构相同。
本实施例中，第一、第二、第三、第四MZI电光调制器中的MZI结构均采用2×2端口的MZI结构。
本实施例中的器件可建立多级的自耦合回路，包括从第一MZI电光调制器到第二MZI电光调制器回到第一MZI电光调制器的自耦合回路；第三MZI电光调制器到第四MZI电光调制器回到第三MZI电光调制器的自耦合回路；从第一MZI电光调制器到第二MZI电光调制器、第三MZI电光调制器到第四MZI电光调制器，再回到第三MZI电光调制器的自耦合电路。
本发明中，第一MZI电光调制器输出的一路光经过第二MZI电光调制器耦合回到第一MZI电光调制器的输入端口构成自耦合回路，该路光会与另一路输入的相干非谐振光在输出时产生干涉，依据法诺谐振原理，其输出频谱谱线呈现非对称形状，可实现低电压驱动的强度调制，与典型电光调制器光频梳生成器件相比，在相同驱动电压下实现更多的齿线输出。
本发明使用MZI自耦合结构，产生类比微环谐振腔结构的谐振作用以实现法诺谐振，并且可以通过调整第一MZI电光调制器的工作点，控制法诺谐振的特性，调节输出频谱，具备稳定和易于控制的特点。

Claims (10)

1.一种马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，包括自耦合回路，所述自耦合回路包括第一MZI电光调制器和第二MZI电光调制器，所述第一MZI电光调制器的一个输出端口连接到第二MZI电光调制器的一个输入端口，再从第二MZI电光调制器的输出端口连接回到第一MZI电光调制器的一个输入端口；所述第一MZI电光调制器的另一个输出端口连接下级光电调制器的输入端口；下级光电调制器的输出端口作为光频率梳生成器件的输出端，第一MZI电光调制器的另一个输入端口作为光频率梳生成器件的输入端。
2.根据权利要求1所述的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，所述下级光电调制器包括第三MZI电光调制器，第三MZI电光调制器的输入端口为下级光电调制器的输入端口，第三MZI电光调制器的输出端口为下级光电调制器的输出端口。
3.根据权利要求2所述的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器和第三MZI电光调制器之间通过硅波导进行连接。
4.根据权利要求1所述马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，所述第一MZI电光调制器与第二MZI电光调制器的两个相邻的MZI干涉臂长度相同且平行对齐设置；两个相邻的干涉臂的波导均嵌入PN结结构，这两个PN结之间设置N型高浓度掺杂区域，两个PN结在两干涉臂外侧方向分别设置P型高浓度掺杂区域；两个PN结的N型粒子掺杂区域与N型高浓度掺杂区域相接，构成背靠背串联的增强型PN结结构。
5.根据权利要求4所述马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，两个所述P型高浓度掺杂区域之间加载高速驱动信号，其中一个P型高浓度掺杂区域与N型高浓度掺杂区域之间加载直流偏置信号，构成单端口推挽驱动形式。
6.根据权利要求1所述的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，所述下级光电调制器包括第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器，所述第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器形成与第一MZI电光调制器和第二MZI电光调制器相同的自耦合回路，所述第三MZI电光调制器的一个输出接口连接第四MZI电光调制器的输入接口，所述第四MZI电光调制器的一个输出接口连接第三MZI电光调制器的一个输入接口，第四MZI电光调制器的另一个输出接口连接第二MZI电光调制器的另一个输入接口；所述第三MZI电光调制器的另一个输入端口为下级光电调制器的输入端口，第三MZI电光调制器的另一个输出端口为下级光电调制器的输出端口。
7.根据权利要求6所述的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，第一MZI电光调制器、第二MZI电光调制器、第三MZI电光调制器和第四MZI电光调制器之间通过硅波导进行连接。
8.根据权利要求6所述的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，所述第三MZI电光调制器与第四MZI电光调制器的两个相邻的MZI干涉臂长度相同且平行对齐设置；两个相邻的干涉臂的波导均嵌入PN结结构，这两个PN结之间设置N型高浓度掺杂区域，两个PN结在两干涉臂外侧方向分别设置P型高浓度掺杂区域；两个PN结的N型粒子掺杂区域与N型高浓度掺杂区域相接，构成背靠背串联的增强型PN结结构；两个所述P型高浓度掺杂区域之间加载高速驱动信号，其中一个P型高浓度掺杂区域与N型高浓度掺杂区域之间加载直流偏置信号，构成单端口推挽驱动形式。
9.根据权利要求4或8所述马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，通过如下步骤制作所述增强型PN结结构：
1)制作用于形成P型高浓度掺杂的第一载流子区的光刻胶保护层，将P型离子注入第一载流子区并达到预设浓度；
2)制作用于形成N型高浓度掺杂的第二载流子区的光刻胶保护层，将N型离子注入第二载流子区并达到预设浓度；
3)制作用于PN结P型粒子掺杂的第三载流子区的光刻胶保护层，将P型离子注入第三载流子区；
4)在所述第三载流子区的上方设置第四载流子区，将N型离子注入第四载流子区；
5)制作用于PN结N型粒子掺杂的第五载流子区的光刻胶保护层，将N型离子注入第五载流子区，并使第四载流子区和第五载流子区中的N型离子连通。
10.根据权利要求1～8任一项所述的马赫曾德尔干涉自耦合结构的硅基光频率梳生成器件，其特征在于，是将各个MZI电光调制器在硅基SOI晶圆上，采用硅光工艺进行制备得到的。
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