CN117539077A - 一种阵列波导光栅及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列波导光栅，包括：两个硅基星型耦合器，两个硅基星型耦合器之间连接阵列分布的多个条形波导，条形波导由下至上依次设有硅衬底层、光波导下包层、硅器件层以及光波导上层；光波导上层的上层平面设有多个硅基PN结光波导相移器，硅基PN结光波导相移器通过电极连接层连接有波导电极，通过波导电极与硅基PN结光波导相移器形成电系统。基于等离子体色散效应，能够充分利用硅材料自身的电光系数特性，在单位电压强度下能够实现更高灵敏度的波长偏移。

Description

一种阵列波导光栅及其控制方法

技术领域

本发明涉及硅基光电子集成技术领域，具体涉及一种阵列波导光栅及其控制方法。

背景技术

随着信息时代的到来，高速、宽带的通信系统变得至关重要。然而，随着集成电路工艺的不断进步，微电子工艺的限制也日益凸显。一方面，随着器件线宽的减小，传统的光刻加工手段已经接近极限。另一方面，随着晶体管和互连线尺寸的同步缩小，单个晶体管的延时和功耗逐渐减小，而互连线的延时和功耗却不断增加，成为芯片内部电互连的主要挑战。这种电互连的瓶颈问题已经严重制约了芯片性能的进一步提升。

为了应对这一挑战，研究者们开始考虑采用片上光互联技术。光互联技术具有高带宽、低能耗、低延时、抗电磁干扰等诸多优势，远远超越了传统铜互连线的限制。因此，芯片级的光子技术成为了摆脱电互连限制、提高芯片性能的有效途径。这项技术的研究不仅在芯片内部实现了光互联，还在解决微电子芯片性能瓶颈方面发挥了关键作用。

阵列波导光栅由于其具有设计自由度高，制造工艺简单，易集成,兼容CMOS工艺等诸多优势，目前广泛应用于高速通信、光谱分析、天文探测及光子计算等复杂系统之中，其性能对于系统整体的响应率、通信质量、拓展性等至关重要，业界目前主流的集成阵列波导光栅设计通常使用硅波导作为器件芯层。

现有技术方案：201910772681.6阵列波导区域的每个波导上均设有加热电极，用于改变对应波导的温度，进而改变对应波导的有效折射率，使阵列波导光栅输出的波长和带宽发生变化。通过加热电极的设置，使得阵列波导光栅的波长与带宽均可调，且结构简单，易于控制，可满足DWDM系统的使用需求。

上述技术方案采用加热电极对阵列波导光栅进行调整,第一、加热过程中产生的热辐射通常是难以控制的，这将对器件的阵列区域引入热串扰。器件外围电路的热管理将会更加复杂；第二，热扩散在速度比较慢，导致响应速度慢。

发明内容

要解决的技术问题

本发明基于等离子体色散效应设计，具有响应速度快，热辐射串扰低，灵敏度高等优点。相比热辐射调整波长及带宽的现有技术，等离子体色散效应是由于载流子运动使光传播路径中有效折射率发生改变从而实现波长及带宽的调整，载流子运动速度相比热辐射速度要快得多。

技术方案

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：一种阵列波导光栅，包括：两个硅基星型耦合器，两个硅基星型耦合器之间连接阵列分布的多个条形波导，所述条形波导由下至上依次设有硅衬底层、光波导下包层、硅器件层以及光波导上层；所述光波导上层的上层平面设有多个硅基PN结光波导相移器，硅基PN结光波导相移器通过电极连接层连接有波导电极，通过波导电极与硅基PN结光波导相移器形成电系统，通过电极加电压可以使硅基PN结光波导相移器的有效折射率改变，从而实现硅基PN结光波导内的光相位调制，实现波长偏移与带宽调制。

优选的，硅基PN结光波导相移器做成脊型波导。

优选的，对脊型波导的硅进行掺杂，使得硅基材料掺杂后形成空间电荷区从而利用等离子色散效应。

优选的，硅基PN结光波导相移器在截面方向上分别由重掺杂区(P++和N++)、轻掺杂区(P和N)与金属电极(S和G)，所述重掺杂区与轻掺杂区仅在掺杂浓度上有区别，轻掺杂区用于形成PN结及空间电荷区实现等离子体色散调制。

优选的，其中一硅基星型耦合器连接有硅基输入波导，另外一个硅基星型耦合器连接有多个硅基输出波导。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.基于等离子体色散效应，能够充分利用硅材料自身的电光系数特性，在单位电压强度下能够实现更高灵敏度的波长偏移。

2.而本发明仅对相移区施加电压改变载流子浓度，几乎不会引入热辐射，从而避免调整过程中对相邻阵列波导的串扰问题。

3.相比热辐射调整波长及带宽的现有技术，等离子体色散效应是由于载流子运动使光传播路径中有效折射率发生改变从而实现波长及带宽的调整，载流子运动速度相比热辐射速度要快得多。

附图说明

图1为本发明的阵列波导光栅的整体结构示意图；

图2为本发明的阵列波导光栅的A-A＇刨面图。

图中：101、硅基输入波导；102、硅基星型耦合器；103、条形波导；104、波导电极；105、电极连接层；106、硅基PN结光波导相移器；107、光波导上包层 108、硅器件层 109、光波导下包层 110、硅衬底层 111、硅基输出波导。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

如图1、图2所示，本发明提供一种技术方案：一种阵列波导光栅，包括：两个硅基星型耦合器102，两个硅基星型耦合器102实现光场的发散与聚焦，两个硅基星型耦合器102是对硅材料进行刻蚀再形成平板结构。

两个硅基星型耦合器102之间连接阵列分布的多个条形波导103。

多个条形波导103组成硅基波导阵列，是通过对硅进行刻蚀形成的具有阵列分布的条形波导103结构，完成施加光程差及光波传递的功能。

条形波导103由下至上依次设有硅衬底层110、光波导下包层109、硅器件层108以及光波导上层，光波导上层的上层平面设有多个硅基P N结光波导相移器，硅基PN结光波导相移器106做成脊型波导，对脊型波导的硅进行掺杂，使得硅基材料掺杂后形成空间电荷区从而利用等离子色散效应，硅基PN结光波导相移器106采用三十五个，三十五个硅基PN结光波导相移器106实现光学相位调整。

二氧化硅下包层厚度为3um，顶层硅厚度为220nm，且本实施例中，波导电极104的材质为铜。

硅基PN结光波导相移器106在截面方向上分别由重掺杂区(P++和N++)、轻掺杂区(P和N)与金属电极(S和G)，重掺杂区与轻掺杂区仅在掺杂浓度上有区别，轻掺杂区用于形成PN结及空间电荷区实现等离子体色散调制，其中P，N分别代表掺杂离子属性。

重掺杂用于与金属电极形成良好的欧姆接触以避免引入附加阻抗，轻掺杂区用于形成PN结及空间电荷区实现等离子体色散调制功能，由于掺杂浓度过高会导致光损耗的提升，因此该区域掺杂浓度通常较低，即轻掺杂，此外还要避免相邻波导之间的重掺杂区相互连通。

硅基PN结光波导相移器106通过电极连接层105连接有波导电极104，通过波导电极104与硅基PN结光波导相移器106形成电系统。波导电极104采用两个，两个波导电极104实现微波电信号的加载和器件的电学驱动。

两个波导电极104位于光波导上包层107的上表面，并位于两个硅基星型耦合器102所构成的弧形结构的中心位置。通过电极加电压可以使硅基PN结光波导相移器106的折射率改变，从而实现硅基PN结光波导内的光相位调制，实现波长偏移与带宽调制。

其中一硅基星型耦合器102连接有硅基输入波导101，另外一个硅基星型耦合器102连接有多个硅基输出波导111，本实施例主要采用四个硅基输出波导111。硅基输入波导101以及硅基输出波导111分别进行光输入与光输出功能。

一种用于阵列波导光栅的控制方法,包括：

硅基输入波导101带动光输入；

硅基星型耦合器102实现光场的发散；

波导电极104实现微波电信号的加载和器件的电学驱动；

由图2所示，波导电极104与硅基PN结光波导相移器106结构刨面图，光信号从两处脊型波导处传播，并且在电压的作用下，使硅基PN结光波导相移器106的折射率发生变化导致光信号的相位发生改变。

硅基PN结光波导相移器106实现光学相位调整；

其中，硅基PN结光波导相移器106做成脊型波导,对脊型波导的硅进行掺杂，使得硅基材料掺杂后形成空间电荷区，从而利用等离子色散效应实现功能，能通过载流子的移动使硅基PN结光波导相移器106的折射率产生的改变，实现硅基PN结光波导相移器106内的光相位调整。

对于不同的应用场合及器件结构设计，相移长度也会有所不同，然而该相移长度仍存在设计要求，引入公式：

式中ΔL表示阵列长度差，即相邻阵列波导的长度存在相同差值ΔL，m表示衍射级数，该级数通常设计为正整数，用于间接反映相邻周期之间的波长间距，λ₀表示设计时选择的中心波长，Neff为有效折射率。

通过施加电压利用等离子体色散效应实现波长调整时是改变了相移区范围内的有效折射率，即在流片制造完成后由于器件结构已经固定，通过影响公式中的有效折射率、群折射率等参数来灵活改变中心波长、通道间距及自由光谱范围的性能指标实现波长及带宽调整，对于该相移长度的设计；

首先确定阵列长度差ΔL，随后根据预设的初始相移区长度L₀进行设计，即相邻相移区长度差等于阵列长度差ΔL，即可得到所有阵列波导上相移区长度，可用公式表示为：

L_n＝L₀+nΔL

(1-2)

Ln表示相移区长度，n表示阵列波导数目，初始相移区长度L₀可由设计需求，结构参数共同确定，能够进行灵活设计调整。

硅材料的复折射率可以通过对介电常数开方求得，通过计算即可同时求得折射率实部的变化Δn以及吸收系数的变化Δα，两者可表示为电子空穴浓度变化量ΔNe和ΔNh的函数：

(2-1)

其中n为单晶硅的折射率，e为电子电量，λ为光波长，ε₀为自由空间介电常数，c为真空光速，m^* _ce和m^* _ch分别为电子和空穴的电导有效质量，μ_e和μ_h分别为电子和空穴的迁移率,代入器件在通讯波段的材料参数就可以得到折射率和吸收系数的改变量；

由式(2-1)与(2-2)可知通过控制载流子浓度即可改变相移区的折射率,其加电变化可用公式表示：

其中Δn(x,y)为载流子浓度变化引起的硅波导截面上任一点折射率变化量，E(x,y)为光波导中光模场任一点的电场；

此外，有效折射率与带宽的计算可表示为：

其中FSR表示自由光谱范围，反映阵列波导光栅能实现的最大输出带宽,n_g为群折射率，反映光波的传播速度，可由有效折射率推导得到；

至此，即可通过式(2-1)-(2-3)计算材料、外加电场与有效折射率的关系，而有效折射率与波长及带宽的关系可由式(1-1)及(2-4)进行计算。

硅基星型耦合器102实现光场的聚焦；

最后通过四个硅基输出波导111带动光输出。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种阵列波导光栅，其特征在于，包括：两个硅基星型耦合器，两个硅基星型耦合器之间连接阵列分布的多个条形波导，所述条形波导由下至上依次设有硅衬底层、光波导下包层、硅器件层以及光波导上层；所述光波导上层的上层平面设有多个硅基PN结光波导相移器，硅基PN结光波导相移器通过电极连接层连接有波导电极，通过波导电极与硅基PN结光波导相移器形成电系统。

2.根据权利要求1所述的一种阵列波导光栅，其特征在于，硅基PN结光波导相移器做成脊型波导。

3.根据权利要求2所述的一种阵列波导光栅，其特征在于，对脊型波导的硅进行掺杂，使得硅基材料掺杂后形成空间电荷区，从而利用等离子色散效应实现功能。

4.根据权利要求3所述的一种阵列波导光栅，其特征在于，硅基PN结光波导相移器在截面方向上分别由重掺杂区(P++和N++)、轻掺杂区(P和N)与金属电极(S和G)，所述重掺杂区与轻掺杂区仅在掺杂浓度上有区别，轻掺杂区用于形成PN结及空间电荷区实现等离子体色散调制。

5.根据权利要求1所述的一种阵列波导光栅，其特征在于，其中一硅基星型耦合器连接有硅基输入波导，另外一个硅基星型耦合器连接有多个硅基输出波导。

6.一种用于权利要求1至5任意一项所述的一种阵列波导光栅的控制方法,其特征在于，包括：

硅基输入波导带动光输入；

硅基星型耦合器实现光场的发散；

波导电极实现微波电信号的加载和器件的电学驱动；

硅基PN结光波导相移器实现光学相位调整；

硅基星型耦合器实现光场的聚焦；

最后通过四个硅基输出波导带动光输出。

7.根据权利要求6所述的一种阵列波导光栅的控制方法，其特征在于，硅基PN结光波导相移器做成脊型波导,对脊型波导的硅进行掺杂，使得硅基材料掺杂后形成空间电荷区，基于等离子体色散效应能通过载流子的移动使硅基PN结光波导相移器的折射率产生的改变，实现硅基PN结光波导相移器内的光相位调整。

8.根据权利要求7所述的一种阵列波导光栅的控制方法，其特征在于，对于不同的应用场合及器件结构设计，相移长度也会有所不同，然而该相移长度仍存在设计要求，这里我们引入公式：

(1-1)

式中ΔL表示阵列长度差，即相邻阵列波导的长度存在相同差值ΔL，m表示衍射级数，该级数通常设计为正整数，用于间接反映相邻周期之间的波长间距，λ₀表示设计时选择的中心波长，Neff为有效折射率。

9.根据权利要求8所述的一种阵列波导光栅的控制方法，其特征在于，通过施加电压利用等离子体色散效应实现波长调整时是改变了相移区范围内的有效折射率，即在流片制造完成后由于器件结构已经固定，通过影响公式中的有效折射率、群折射率等参数来灵活改变中心波长、通道间距及自由光谱范围的性能指标实现波长及带宽调整，对于该相移长度的设计；

L_n＝L₀+nΔL首先确定阵列长度差ΔL，随后根据预设的初始相移区长度L₀进行设计，即相邻相移区长度差等于阵列长度差ΔL，即可得到所有阵列波导上相移区长度，可用公式表示为：

(1-2)

Ln表示相移区长度，n表示阵列波导数目，初始相移区长度L₀可由设计需求，结构参数共同确定，能够进行灵活设计调整。

10.根据权利要求9所述的一种阵列波导光栅的控制方法，其特征在于，硅材料的复折射率可以通过对介电常数开方求得，通过计算即可同时求得折射率实部的变化Δn以及吸收系数的变化Δα，两者可表示为电子空穴浓度变化量ΔNe和ΔNh的函数：

其中n为单晶硅的折射率，e为电子电量，λ为光波长，ε₀为自由空间介电常数，c为真空光速，m^* _ce和m^* _ch分别为电子和空穴的电导有效质量，μ_e和μ_h分别为电子和空穴的迁移率，代入器件在通讯波段的材料参数就可以得到折射率和吸收系数的改变量，由式(2-1)与(2-2)可知通过控制载流子浓度即可改变相移区的折射率，其加电变化可用公式表示：

其中Δn(x,y)为载流子浓度变化引起的硅波导截面上任一点折射率变化量，E(x,y)为光波导中光模场任一点的电场，

此外，有效折射率与带宽的计算可表示为：

其中FSR表示自由光谱范围，反映阵列波导光栅能实现的最大输出带宽,ng为群折射率，反映光波的传播速度，可由有效折射率推导得到，

至此，即可通过式(2-1)-(2-3)计算材料、外加电场与有效折射率的关系，而有效折射率与波长及带宽的关系可由式(1-1)及(2-4)进行计算。