CN117850075A - 电光聚合物器件、光器件以及光集成电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种电光聚合物器件、光器件以及光集成电路，该电光聚合物器件包括：衬底层；波导，定位在所述衬底层的上方；电光聚合物，覆盖在所述波导上，并且至少部分地围绕所述波导设置；极化电极，分布在所述电光聚合物的两侧；以及至少一个加热电极，定位在所述极化电极的上方，并且被配置成用于将与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域加热到预定的极化温度；其中所述极化电极被配置成用于在所述预定的极化温度下对所述电光聚合物施加极化电场，以实现所述电光聚合物的极化过程。

Description

电光聚合物器件、光器件以及光集成电路

技术领域

本公开的实施例涉及电光聚合物领域，并且更特别地涉及一种电光聚合物器件，以及相关联的光器件或光集成电路。

背景技术

光集成电路(PIC)是下一代大规模高速光电集成器件和系统的总称，依靠成熟互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的硅光子(SiP)平台则可进一步实现PIC的极低成本优势。PIC中的核心功能是如何将高速电信号“转化为”光信号，进而通过PIC中低损耗的光波导路由至链路端口，再转化为电信号输出。故PIC中的核心器件包括将电信号转化为光信号的调制器、控制光信号传输方向的光路由器(光开关，滤波器等)、和将光信号转化回电信号的光探测器。其中，光调制器和光路由器都需要通过响应外加电信号来控制光的各种属性。然而，由于硅是中心对称晶体结构材料，天然缺乏二阶电光响应，即，泡克尔效应(Pockels effect)。因此，硅器件无法直接通过外界电场信息改变自身材料属性，将电信号翻译成光信息。传统上，硅的电光转换方式主要基于热光(TO)和载流子色散(FCD)效应。但在高速互联通信需求不断演进的当下，这些调控方式的响应速度和额外损耗已经明显制约了PIC的发展潜力。

电光聚合物是一种可以根据外加电场方向和强度来改变自身折射率的有机材料。近年来不断有各种新型聚合物材料问世，带来更好的稳定性和更高的响应幅度，使电光聚合物成为替代硅在PIC上实现电光效应的另一个有价值的技术方向。电光聚合物常温下为凝胶状液体，且需要传统SiP工艺所无需考虑的聚合物填充和聚合物加热极化等额外步骤。这导致电光聚合物很难做到大规模量产和稳定的品质，限制了电光聚合物的商业化。典型地，聚合物芯片上的每个器件的聚合物填充物平均寿命为2000小时，以平均寿命的标准差，并以5％的器件失效作为芯片失效的阈值范围来预估，将会知晓：随着聚合物寿命的方差逐渐增大(良品率逐渐下降)，整个芯片的使用寿命会较2000小时的单个器件平均寿命大大缩短，极端情况下甚至只有单个器件寿命的1/10。

因此，如何保证聚合物集成芯片的稳定性和使用寿命对聚合物产业的商业化有重大意义。

发明内容

本公开的目的之一在于提供一种改进的电光聚合物器件以及相关的光集成电路，其至少可以克服现有技术的电光聚合物器件无法精确极化的技术问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种电光聚合物器件。该电光聚合物器件包括：衬底层；波导，定位在所述衬底层的上方；电光聚合物，覆盖在所述波导上，并且至少部分地围绕所述波导设置；极化电极，分布在所述电光聚合物的两侧；以及至少一个加热电极，定位在所述极化电极的上方，并且被配置成用于将与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域加热到预定的极化温度；其中所述极化电极被配置成用于在所述预定的极化温度下对所述电光聚合物施加极化电场，以实现所述电光聚合物的极化过程。

容易理解，由于本公开的电光聚合物器件本身集成有加热电极和极化电极，这有助于实现器件本身的更为精确的极化过程，从而有效地保证片上器件的极化良率。此外，即便对于封装后的电光聚合物集成芯片而言，本公开的设计也可以方便地在其失效后重新单独极化，这有助于降低芯片的成本。

在一些实施例中，所述波导和所述极化电极位于同一水平面上。容易理解，以这种方式，可以有助于在同一层平面(例如，芯层平面)上同步地制备(例如，蚀刻)上述波导和极化电极。

在一些实施例中，所述极化电极包括定位在所述电光聚合物两侧的第一极化电极和第二极化电极，所述至少一个加热电极包括定位在所述电光聚合物两侧的第一加热电极和第二加热电极，所述第一加热电极位于所述第一极化电极的上方，所述第二加热电极位于所述第二极化电极的上方。容易理解，在所述电光聚合物两侧设置第一加热电极和第二加热电极可以有助于跨电光聚合物提供更为均匀的温度分布。

在一些实施例中，第一加热电极和第二加热电极两者的最邻近边之间的水平距离为S，并且所述第一加热电极和第二加热电极两者相对于所述波导所在水平面的高度为H，其中S<5.6um，1um<H<1.9um。将会理解，利用上述第一加热电极和第二加热电极的上述水平距离和高度的数值范围，可以跨电光聚合物的预定电光聚合物区域实现较佳的温度均匀性分布。

在一些实施例中，极化电极包括定位在所述电光聚合物两侧的第一极化电极和第二极化电极，所述至少一个加热电极仅包括单个加热电极，所述单个加热电极定位在所述第一极化电极或所述第二极化电极的上方。在该些实施例中，这意味着可以通过单个加热电极来实现预定电光聚合物区域的加热。

在一些实施例中，该电光聚合物器件还包括温控监测装置，所述温控监测装置包括：与所述预定电光聚合物区域邻近的PIN结；以及温控电极，电连接至所述PIN结，并且被配置成用于对所述PIN结施加偏压，以产生PIN电流，其中所述偏压和所述PIN电流之间的关系适于指示所述预定电光聚合物区域的温度。容易理解，在该些实施例中，上述温度监测装置提供了针对单个电光聚合物器件进行温度监测的可能性，这有助于对极化过程中的温度实现更为精确的监测。

在一些实施例中，所述PIN结通过在脊波导的两侧进行掺杂而形成，所述脊波导由所述波导的一部分形成。在该些实施例中，这意味着可以利用已有的波导来制造上述PIN结，从而使得PIN结的制造更为简便。

在一些实施例中，所述PIN结、所述极化电极和所述波导均处于同一水平面上，并且所述温控电极通过截取所述极化电极的一部分而形成。在该些实施例中，这意味着可以利用极化电极来制造温控电极，从而使得温度电极的制造更为简便。

在一些实施例中，所述PIN结和所述温控电极两者位于所述波导的一端。以这种方式，可以有助于更为方便地实现温度监测装置与外部器件的电连接。

在一些实施例中，当所述电光聚合物器件不进行极化时，所述极化电极适于作为所述波导的射频信号调制电极，所述至少一个加热电极适于作为所述波导的偏置电极。以这种方式，可以使得电光聚合物器件的结构更为紧凑。

根据本公开的第二方面，提供了一种电光聚合物器件。该电光聚合物器件包括：衬底层；波导，定位在所述衬底层的上方，并且被掺杂为使得所述波导在其延伸方向上具有导电性；电光聚合物，覆盖在所述波导上，并且至少部分地围绕所述波导设置；以及极化电极，分布在所述电光聚合物的两侧；其中所述波导还被配置成适于通过在所述波导的所述延伸方向的两端施加电压，以产生电流，从而将与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域加热到预定的极化温度；其中所述极化电极被配置成用于在所述预定的极化温度下对所述电光聚合物施加极化电场，以实现所述电光聚合物的极化过程。

容易理解，在本公开的第二方面的电光聚合物器件中，掺杂的波导可以兼具波导和加热电极两者的功能，这有助于进一步简化电光聚合物器件的结构。

在一些实施例中，所述波导和所述极化电极位于同一水平面上。

在一些实施例中，该电光聚合物器件还包括温控监测装置，所述温控监测装置包括：与所述预定电光聚合物区域邻近的PIN结；以及温控电极，电连接至所述PIN结，并且被配置成用于对所述PIN结施加偏压，以产生PIN电流，其中所述偏压和所述PIN电流之间的关系适于指示所述预定电光聚合物区域的温度。

根据本公开的第三方面，提供了一种光器件。该光器件由根据第一方面或第二方面所述的电光聚合物器件形成。

在一些实施例中，所述光器件为以下器件中的任一者：移相器、相位调制器、光路由器、光开关和光滤波器。

根据本公开的第四方面，提供了一种光集成电路。该光集成电路包括多个以上所述的电光聚合物器件。

在一些实施例中，该光集成电路为绝缘体上硅芯片，其中多个电光聚合物器件各自的衬底层分别由公共硅衬底层的一部分形成。

在一些实施例中，任意相邻两个所述电光聚合物器件之间的间距大于20um，并且所述公共硅衬底层的厚度在200um至750um的范围内。将会理解，在这些数值范围内，本公开的光集成电路可以更为有效地避免相邻的电光聚合物器件之间的温度串扰。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了集成有根据本公开的第一示例实施例的电光聚合物器件的光集成芯片的示意图；

图2a示出了根据本公开的第一示例实施例的电光聚合物器件2的剖面示意图；

图2b示出了在图2a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布图；

图2c和图2d分别示出了在图2a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的温度随着距离S和高度H变化的绘图；

图3a示出了根据本公开的示例实施例的温度监测装置的俯视示意性结构图；

图3b绘出了PIN电流I和PIN结的偏压V之间的I-V响应关系与PIN结的温度T之间的关系图；

图4a示出了根据本公开的第二示例实施例的仅包括单一加热电极的电光聚合物器件2的剖面示意图；

图4b示出了在图4a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布图；

图5a示出了根据本公开的第三示例实施例的集成有掺杂波导的电光聚合物器件的剖面示意图；

图5b示出了图5a所示的电光聚合物器件中波导被掺杂的结构示意图；

图5c示出了电光聚合物在图5a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布图；以及

图6中的(a)示出了根据本公开的示例实施例的电光聚合物器件在极化时的温度在横向上随着距离L的扩散示意图，以及(b)则示出了相邻电光聚合物器件的不同间距X随着衬底层厚度D的变化对限制温度扩散的效果的对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如前所述的，保证聚合物集成芯片的稳定性和使用寿命对聚合物产业的商业化有重大意义。为了确保聚合物集成芯片的稳定性和/或延长使用寿命，目前已提出对聚合物集成芯片进行定期极化的常规技术方案，该常规技术方案包含：提供位于待加热聚合物芯片下方且与其分离的加热台，以及位于芯片上的极化电极。该方案的原理是：利用分离的加热台充分且均匀地加热整个芯片，同时通过向片上的极化电极施加极化电压，来实现对整个片上电光聚合物填充物的统一极化过程。

然而，发明人发现上述常规技术方案的缺陷在于：第一、常规技术方案做不到精确到片上单个器件的极化，而只能将芯片作为一个整体进行极化，这是因为加热台的温度将遍及整个芯片，而极化时的温度会让无需极化的电光聚合物丧失其电光响应特性；第二，常规技术方案也无法做到对单个片上器件的反复极化，而只能对整个芯片整体进行反复极化。与此相对应地，现实应用中需要对片上集成电光聚合物器件进行反复极化以解决聚合物寿命的问题，同时也需要对片上众多聚合物器件中的某一个或几个的单独极化能力，以解决极化成功率以及聚合物器件寿命不均匀的问题，故上述常规技术方案的两个缺陷不能解决所旨在解决的技术问题，这也导致了目前电光聚合物器件无法与现有的硅光器件抗衡。

为此，本公开的构思在于：针对每个电光聚合物器件提供单独的片上加热电极和单独的片上极化电极，从而允许更为灵活的聚合物器件极化；并且进一步地，提供了片上聚合物波导温度监测装置，以实现对电光聚合物器件的单独温度监控。

图1示出了集成有根据本公开的第一示例实施例的电光聚合物器件的光集成芯片的示意图。

如图1所示，该光集成芯片1集成有至少一个电光聚合物器件2。特别地，光集成芯片1可以例如是绝缘体上硅(SOI)芯片。如本领域所熟知的，这种SOI芯片的衬底可以包括以下三层：较薄的单晶硅层，在其上可以形成蚀刻电路；较薄的绝缘二氧化硅中间层；以及较厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。

一般而言，每个电光聚合物器件2可以由衬底层3(或下包层)、芯层(未标示)和覆盖在芯层上方的上包层4构成，其中器件层主要形成在上包层4内。特别地，在SOI芯片的实施例中，衬底层3可以例如通过上述较厚的硅衬底层和位于硅衬底层之上的二氧化硅绝缘层两者形成；芯层可以例如通过在较薄的单晶硅层上蚀刻形成；而上述上包层4可以通过在上述芯层上覆盖诸如二氧化硅的绝缘层来形成，而器件层可以通过在上述上包层4内蚀刻和或沉积形成。

作为电光聚合物器件2的基本组成部分，波导21可以定位在所述衬底层的上方的芯层平面上。具体地，波导21可以通过对构成芯层的材料蚀刻形成。譬如，在SOI芯片的实施例中，该波导21可以是硅波导。此外，该波导的高度可以例如为220nm。除了构成电光聚合物器件2的一部分的波导21之外，波导21还可以形成在不同的电光聚合物器件2之间，以用于光学传输。

电光聚合物22可以覆盖在波导21上，并且至少部分地围绕所述波导设置。特别地，电光聚合物22可以沿着波导21的延伸方向覆盖在波导21上，并且其底面可以处在与波导21相同的水平面上(即，芯层平面上)。更特别地，电光聚合物22可以例如通过波导21上方的上包层4内开设的凹槽内填充电光聚合物来形成。可以理解，电光聚合物22的作用在于：通过至少部分地围绕波导21的电光聚合物22的电光调制，来实现对波导21内所传输的光信号的调制。

除了上述波导21和电光聚合物22之外，依据本公开的第一示例实施例，每个电光聚合物器件2还可以被特别地设计有单独的极化电极23和单独的加热电极24。如后面描述，将会理解的，利用本公开单独的极化电极23和加热电极24，可以实现针对单个电光聚合物器件的单独加热和极化功能。

图2a示出了根据本公开的第一示例实施例的电光聚合物器件2的剖面示意图。

结合图1和图2a所示，极化电极23可以被形成在电光聚合物22的两侧。具体地，极化电极23可以例如包括布置在电光聚合物22两侧的第一极化电极231和第二极化电极232。

应当理解，通过向上述如此布置的极化电极23施加电压，就可以至少在两个极化电极(即，第一极化电极231和第二极化电极232)之间——也即跨电光聚合物23(或电光聚合物23的填充区域)——施加电场。特别地，第一极化电极231和第二极化电极232两者可以对称地布置在电光聚合物22(或波导21)两侧。以这种对此的布置，可以在电光聚合物23的填充区域施加更为均匀的电场。

还应当理解，波导的光模场内的电光聚合物区域是对波导的相位调制具有重要影响的区域，因此本公开的重点旨在对波导的光模场内的电光聚合物区域进行极化，并且由此与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的加热和极化将会是本公开的重点关注对象。特别地，预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)可以由电光聚合物在波导所在水平面(或芯层平面)上的区域所表征，或者指代波导的光模场内的电光聚合物区域。

为了实现上述预定电光聚合物区域的极化，在一些实施例中，极化电极23可以特别地围绕上述与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域布置。

特别地，极化电极23可以被布置在与波导21相同的水平面(或芯层平面)上，并且可以由与波导相同的材料形成。譬如，极化电极23可以例如通过对构成芯层的材料(例如，单晶硅材料)蚀刻而形成。然而，应当理解，这并非限制，在其他实施例中，极化电极23由与波导21不同的材料(例如，金属)形成，和/或不处于同一水平面都是可能的，只要其能够实现对旨在极化的预定电光聚合物区域施加极化电场即可。譬如，在一些实施例中，极化电极23不形成在芯层平面上，而是被形成在上包层4内也是可能的。

加热电极24的作用在于：将与波导21紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)加热到预定的极化温度，以便配合上述极化电极23对与所述波导紧邻的预定电光聚合物施加极化电场，来实现电光聚合物的极化过程。一般而言，上述预定的极化温度取决于所选择的预定电光聚合物的材料。作为示例，预定的极化温度可以例如在150度左右。因此，根据本公开的设计，至少一个加热电极24可以被布置在极化电极23的上方，并且被配置成用于将与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)加热到预定的极化温度。

仅作为示例，图1和图2a示出了至少一个加热电极24包括两个加热电极，即第一加热电极241和第二加热电极242。进一步地，如图2a所示，第一加热电极241可以位于第一极化电极231的上方，而第二加热电极241可以位于第二极化电极232的上方。特别地，在一些实施例中，第一加热电极241和第二加热电极242可以被布置在同一水平面，例如与芯层平面平行的水平面上。在又一些实施例中，第一加热电极241和第二加热电极242可以对称地布置在电光聚合物24的两侧。

容易理解，以上述布置方式，可以有助于实现在与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域的温度均匀性。然而，上述布置并非限制，在其他实施例中，第一加热电极241和第二加热电极242不布置在同一水平面上和/或不关于电光聚合物24对称也是可能的。

还容易理解，上述第一加热电极241和第二加热电极242对与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的加热温度显然是与两者之间的距离S以及两者相对于所述波导所在水平面(即，芯层平面)的高度H高度相关的，其中S可以被定义为第一加热电极和第二加热电极两者的最为邻近边之间的水平距离。

图2b示出了在图2a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布图；以及图2c和图2d分别示出了在图2a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的温度随着距离S和高度H变化的绘图。

从图2b、图2c和图2d可以看出，通过调节上述第一加热电极241和第二加热电极242的间距S和高度H，可以有效地改进与所述波导紧邻的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的温度均匀度，以便获得最佳的温度均匀度。特别地，在一些实施例中，上述温度均匀度可以被定义为波导所在水平面上的电光聚合物的最高温与最低温的差与平均温度的比值。在一些实施例中，间距S和高度H可以例如被选择为：S<5.6μm，1μm<H<1.9μm，在该数值范围内，上述预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的极化温度均匀度可以被控制在5％以内。

从以上的描述，还可以看到，控制上述预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的极化温度是至关重要的。为了更为有效地控制上述极化温度，本公开还提出了在每个电光聚合物器件2中集成温度监测装置的设计。

图3a示出了根据本公开的示例实施例的温度监测装置的俯视示意性结构图。

如图3a所示，该温度监测装置50可以包括邻近所述预定电光聚合物区域设置的PIN结51，以及电连接至PIN结的温控电极52，该温控电极52的作用在于对所述PIN结施加偏压，以产生PIN电流。

在一些实施例中，PIN结51可以通过在脊波导的两侧进行掺杂而形成，而该脊波导可以是由诸如半导体(例如，硅)材料制成的波导21的一部分，从而与波导21的其余部分是连续的。备选地，该脊波导还可以独立于波导21而存在，并且可以与波导21间隔以预定距离。在一些实施例中，温控电极52可以定位在PIN结51的两侧，并且可以通过在原有的极化电极23上截取的一小部分来形成。备选地，温控电极52还可以独立于极化电极23而形成。

以上述方式，PIN结51、温控电极52、极化电极23和波导21可以定位同一水平面(例如，芯层平面)上，并且温控电极52可以处于所述极化电极的延伸方向上。特别地，PIN结51和温控电极52可以被定位在波导21的一端。然而，上述方式并非限制，在其他实施例中，PIN结51和温控电极52定位在相对于波导21的其他位置(例如另一端或中间位置等)都是可能的。在又一些其他实施例中，PIN结51、温控电极52、极化电极23和波导21不定位在同一水平面上也是可能的。

进一步地，通过对上述温度监测装置50的PIN结51施加偏压就可以获得相应的PIN电流。容易理解，不同的偏压可以产生不同的PIN电流。进一步地，借助于包括诸如电流计在内的电流测量装置，就可以获得上述PIN电流的具体数值。这里，应当理解，由于PIN结的内建电势(built-in potential)是热势能的函数，所以PIN结的温度T越高，诸如硅的本征载流子浓度就越高，同时相同偏压下的饱和电流就越大。

作为示例，图3b绘出了PIN电流I和PIN结的偏压V之间的I-V响应关系与PIN结的温度T之间的关系图。在这种情况下，I-V响应关系可以用于指示PIN结的温度T。进一步地，上述I-V响应关系与PIN结的温度T之间的关系可以通过下式(1)来表达，即有：

其中VT是热电势，I是测量电流，I_S是饱和电流并且是PIN结的温度T的函数，γ是理想系数。

更进一步地，通过扫描上述PIN结在不同偏置点i，j的偏压Vi,Vj并测量相应的PIN电流Ii,Ij，还可以获得PIN结的温度T与I-V响应之间的更为简化和直接的关系，如下式(2)所示：

容易理解，由于上述PIN结邻近上述所述预定电光聚合物区域设置，所以上述PIN结的温度T可以用于代表预定电光聚合物区域所处的温度。进一步地，借助于PIN结的温度T(预定电光聚合物区域所处的温度)的反馈，就可以实现对预定电光聚合物区域的温度的监控，从而随后可以方便地将预定电光聚合物区域加热到并稳定在预定的极化温度。

以上详细地描述温度监测装置50的结构和工作原理，可以理解，本公开的温度监测装置50是作为专属于电光聚合物器件的片上温度监测装置而工作的，其工作方式与传统的温度监测装置形成鲜明的对比。譬如，传统的温度监测装置通常依靠热光效应，并且通过光谱或时域调制谱线来识别环境温度变化，该传统的方案只能用来测量环境温度或平均温度，而无法精确测量聚合物填充区域(其范围典型地在数微米宽)以及波导这样狭小空间内的精确温度。因此，与传统的温度监测装置相比，本公开的温度监测装置50可以实现更为精确的温度监控。此外，虽然以上针对第一示例实施例描述了温度监控装置，但是将会理解，本公开的温度监测装置还可以适用于本公开的其他实施例，其包括但不限于后面描述的第二示例实施例和第三示例实施例。

图4a示出了根据本公开的第二示例实施例的仅包括单一加热电极的电光聚合物器件2的剖面示意图；以及图4b示出了在图4a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布图。从图4a和图4b的第二示例实施例，可以理解，至少一个加热电极23仅包括在电光聚合物22的一侧的加热电极也是可能的。

具体地，如图4a所示，图4a的至少一个加热电极23仅包括位于在电光聚合物22的一侧的加热电极241。仅作为示例，该加热电极241被布置在极化电极231的上方。然而，应该理解，在其他实施例中，该单一的加热电极241被布置在极化电极232的上方也是可行的。然而，使用仅位于电光聚合物22一侧的加热电极的不足之处在于：其导致在波导21所在水平面(即，芯层平面)的温度分布不对称。譬如，如图4b所示，电光聚合物在波导21所在水平面(即，芯层平面)内的温度均匀性仅为35％。尽管如此，但如果考虑到采用更宽的波导可以实现对光模场的增强限制，那么可以将温度的监控重点放置在光模场之内的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)。在这种情况下，可以计算得到光模场之内的该预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的温度均匀性在8.3％左右。应当理解，虽然与第一实施例相比，第二示例实施例在波导21在预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的极化温度均匀度相对较差，但这对于某些场景——例如对于某些极化温度区间较宽和玻璃化温度较高的电光聚合物而言，其仍有可能满足在所旨在极化的区域(例如，光模场之内的该预定电光聚合物区域)的温度均匀性的要求，因为其他位置的不理想极化并不会对整个电光聚合物器件的性能产生实质性的影响。

以上详细地描述电光聚合物器件2包括至少一个单独的加热电极23的实施例。然而，根据本公开的构思，上述单独的加热电极23用于掺杂的波导加热器来替代也是可能的。

譬如，图5a示出了根据本公开的第三示例实施例的集成有掺杂波导的电光聚合物器件的剖面示意图；图5b示出了图5a所示的电光聚合物器件中波导被掺杂的结构示意图；以及图5c示出了电光聚合物在图5a所示的布置的情况下在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布图。

结合图5a和图5b可见，波导21’在其延伸方向上(例如，大部分长度上)是被掺杂的，由此导致其延伸方向上具有导电性。一般而言，考虑到光学损耗，波导的导电性可由轻度至中度的掺杂实现。在此，波导21’又被称为掺杂波导。

特别地，在一些实施例中，波导21’的两端附近可以分别被形成为脊波导26’，而掺杂区域可以从波导21’一端的脊波导26’延伸到在波导的另一端的脊波导26’。更进一步地，可以通过在波导21’的延伸方向的两端(特别地，对位于波导21’一端的脊波导26’和波导的另一端的脊波导26’两者)施加电压，来在波导21’内产生电流。容易理解，以这种方式，可以在波导21’的延伸方向上产生热量，从而将波导21’和周边的电光聚合物23加热到相应的温度。

从图5c还可以看出，第三示例实施例的电光聚合物23在波导所在水平面(即，芯层平面)的温度分布也是不均匀的。然而，与第二示例实施例相类似地，如果考虑到采用更宽的波导会对光模场的限制增强，那么也可以将温度的监控重点放置在光模场之内的预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)。此时，可以计算得到在光模场之内的该预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的温度均匀性在4.95％。类似地，虽然与第一实施例相比，第三示例实施例在波导21在预定电光聚合物区域(或感兴趣区域)的极化温度均匀度相对较差，但这对于某些场景——例如对于某些极化温度区间较宽和玻璃化温度较高的电光聚合物而言，其仍有可能满足在所旨在极化的区域(例如，光模场之内的该预定电光聚合物区域)的温度均匀性的要求，因为其他位置的不理想极化并不会对整个电光聚合物器件产生实质性的影响。

容易理解，上述第二示例实施例和第三示例实施例在光模场尤为集中在光波导附近(此时，要求波导对光模场的限制要足够强)的实施例中是特别适用的。然而，如果光模场过多地泄露在处于非理想极化温度的电光聚合物填充区域，而极化后外加电场无法调制此处的聚合物的光折射率，那么就会造成整个电光聚合物器件调制效率降低的问题。

除了考虑单个电光聚合物器件之内的部件对于极化过程的影响之外，其对周边的电光聚合物器件的温度影响也需要考虑在内。因为在一些情况中，当某一个片上的电光聚合物器件由于失效或新填充聚合物需要极化时，周边的其他器件可能并不需要被极化。因此，在极化期望的电光聚合物器件的同时，需要避免：热量传导到周边的电光聚合物器件而破坏周边的电光聚合物器件的电光聚合物结构。

为了避免上述热量传导对周围正在工作的电光聚合物器件的影响，有两种降低上述影响的方法：1)使得相邻的电光聚合物器件的间距X扩大；2)将芯片的衬底层减薄，让承载芯片的温度控制器(TEC)更加贴近器件层或上包层。

图6中的(a)示出了根据本公开的示例实施例的电光聚合物器件在极化时的温度在横向上随着距离L的扩散示意图。从图6的(a)中可以看出，对相邻的电光聚合物器件的温度影响主要集中在电光聚合物器件中心左右20um的范围内。这意味着：1.控制相邻的电光聚合物器件的间距X大于20um是非常有利的，这可以有助于高效地避免相邻的电光聚合物器件的温度串扰。2.在相邻的电光聚合物器件的间距X大于20um的情况下，可以综合考虑扩大间距以及减薄衬底层厚度两种方式，来降低上述温度串扰。这里需要说明的是，本文的间距X可以被定义相邻的电光聚合物器件的最邻近边之间的距离。

图6中的(b)则示出了相邻电光聚合物器件的不同间距X随着衬底层厚度D的变化对限制温度扩散的效果的对比图，其中示出了四种不同的间距X，即：400um、240um、40um和30um。

具体地，从图6的(b)中可以看出，当间距X较大(例如，间距X大于200um，譬如为400um、240um)时，此时，继续增加间距对限制温度扩散的实际效果已不明显。因此，在设计了较大间距的多个电光聚合物器件的情况下，可以优先考虑减薄衬底层厚度D，而不是继续增加间距X，来降低温度串扰。特别地，在这种情况下，可以将衬底层厚度D优先减薄到500um、400um或300um以内。譬如，当间距X＝240um时，如果将衬底厚度减薄至310um，其可以有利地将周边器件接收到的串扰温度限制在高于室温1度以内。

另一方面，如果所设计的间距X相对较小(例如，间距X小于200um)，或特别小(例如，间距X小于50um)，则衬底层的减薄可以和器件的间距X配合使用。譬如，当X＝40um且衬底层减薄至450um，或X＝30um且芯片减薄至290um时，都可将周边器件温度串扰控制在4度以内。这里需要说明的是：间距X小于50um意味着芯片上的电光聚合物器件的集成度很高。

作为对比，未减薄的衬底层厚度一般在750um左右，如果要将周边器件的温度串扰控制在1℃以内，从图6中的(b)可推测的，其可能需要大幅增加器件的间距X至mm量级，这样对整个聚合物集成芯片的成本、功能复杂性都十分不利。另一方面，若完全不考虑器件间距，仅通过衬底层减薄也无法保证相邻器件的热串扰阈值(例如，要保证1℃的串扰阈值，则需要350um的衬底层厚度搭配400um的器件间距X)。因此，在本公开的实施例中，结合各种间距(包括但不限于：间距大于20um、30um、40um或50um，甚至大于200um)，衬底层厚度一般可以控制在200um至750um的范围内，特别地在200um至500um的范围内，又特别地在200um至300um的范围内。

上面已经详细地描述了根据本公开的电光聚合物器件的结构和实现原理。容易理解，利用本公开的电光聚合物器件的结构设计，可以有效地对包括多个本公开的电光聚合物器件的集成芯片进行精确地单个器件极化，从而有效地保证片上器件极化的良率。此外，即便对于封装后的电光聚合物集成芯片而言，本公开的设计也可以方便地在在其失效后重新单独极化再利用，这有助于降低芯片的成本。需要特别指出的是，本公开的温度监测装置提供了针对每个电光聚合物器件单独地调控极化温度和极化电压的可能，这进一步保证了聚合物集成芯片上每个器件的极化成功率。此外，还需要说明的是，本公开所涉及的片上加热电极和片上极化电极还可以分别作为电光聚合物器件工作期间的偏置电极和视频信号调制电极，这不会显著增加整个芯片的设计复杂度。

还容易理解，本公开的电光聚合物器件可以构成各种光器件或诸如光集成芯片的各种光集成电路的一部分。作为示例，这些光器件例如可以是移相器、相位调制器、光路由器、光开关和光滤波器中的任一者。特别地，由上述电光聚合物器件制成的移相器可以作为各种马赫-曾德(MZ)型器件(例如，MZ型调制器、MZ型光开关、MZ型滤波器)或各种微环型器件(例如，微环型相位调制器、微环型滤波器)等集成波导器件的移相器部分。进一步地，上述各种MZ型的器件可以构成级联MZ或并联MZ型相干相位调制器、多端口光路由器阵列、或多端口光开关；上述各种微环型器件可以构成级联微环或并联微环型相干相位调制器、波长滤波器阵列、或多端口光开关。上述各种光器件或诸如光集成芯片的各种光集成电路可以具有本公开的电光聚合物器件所带来的各种有益技术效果。

虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但这些说明和描述应被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所请求保护的发明中，通过研究附图、公开和所附权利要求可以理解并且实践所公开的实施例的其它变体。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足在权利要求中阐述的多个项目的功能。仅在互不相同的实施例或从属权利要求中记载某些特征的仅有事实，并不意味着不能有利地使用这些特征的组合。在不脱离本申请的精神和范围的情况下，本申请的保护范围涵盖在各个实施例或从属权利要求中记载的各个特征任何可能组合。

此外，在权利要求中的任何参考标记不应被理解为限制本发明的范围。

Claims (18)

1.一种电光聚合物器件(2)，包括：

衬底层(3)；

波导(21)，定位在所述衬底层(3)的上方；

电光聚合物(22)，覆盖在所述波导(21)上，并且至少部分地围绕所述波导(21)设置；

极化电极(23)，分布在所述电光聚合物(22)的两侧；以及

至少一个加热电极(24)，定位在所述极化电极(23)的上方，并且被配置成用于将与所述波导(21)紧邻的预定电光聚合物区域加热到预定的极化温度；

其中所述极化电极(23)被配置成用于在所述预定的极化温度下对所述电光聚合物(22)施加极化电场，以实现所述电光聚合物(22)的极化过程。

2.根据权利要求1所述的电光聚合物器件(2)，其中所述波导(21)和所述极化电极(23)位于同一水平面上。

3.根据权利要求1所述的电光聚合物器件(2)，所述极化电极(23)包括定位在所述电光聚合物(22)两侧的第一极化电极(231)和第二极化电极(232)，所述至少一个加热电极(24)包括定位在所述电光聚合物(22)两侧的第一加热电极(241)和第二加热电极(242)，所述第一加热电极(241)位于所述第一极化电极(231)的上方，所述第二加热电极(242)位于所述第二极化电极(232)的上方。

4.根据权利要求3所述的电光聚合物器件(2)，所述第一加热电极(231)和第二加热电极(232)两者的最邻近边之间的水平距离为S，并且所述第一加热电极(241)和第二加热电极(242)两者相对于所述波导(21)所在水平面的高度为H，其中S<5.6um，1um<H<1.9um。

5.根据权利要求1所述的电光聚合物器件(2)，所述极化电极(23)包括定位在所述电光聚合物(22)两侧的第一极化电极(231)和第二极化电极(232)，所述至少一个加热电极(24)仅包括单个加热电极，所述单个加热电极定位在所述第一极化电极(231)或所述第二极化电极(232)的上方。

6.根据权利要求1所述的电光聚合物器件(2)，还包括温控监测装置(50)，所述温控监测装置(50)包括：

与所述预定电光聚合物区域邻近的PIN结(51)；以及

温控电极(52)，电连接至所述PIN结(51)，并且被配置成用于对所述PIN结(51)施加偏压，以产生PIN电流，其中所述偏压和所述PIN电流之间的关系适于指示所述预定电光聚合物区域的温度。

7.根据权利要求6所述的电光聚合物器件(2)，其中所述PIN结(51)通过在脊波导的两侧进行掺杂而形成，所述脊波导由所述波导(21)的一部分形成。

8.根据权利要求6所述的电光聚合物器件(2)，其中所述PIN结(51)、所述极化电极和所述波导均处于同一水平面上，并且所述温控电极通过截取所述极化电极的一部分而形成。

9.根据权利要求6所述的电光聚合物器件(2)，其中所述PIN结(51)和所述温控电极(52)两者位于所述波导的一端。

10.根据权利要求6所述的电光聚合物器件(2)，其中当所述电光聚合物器件(2)不进行极化时，所述极化电极(23)适于作为所述波导(21)的射频信号调制电极，所述至少一个加热电极(24)适于作为所述波导(21)的偏置电极。

11.一种电光聚合物器件(2)，包括：

衬底层(3)；

波导(21’)，定位在所述衬底层(3)的上方，并且被掺杂为使得所述波导(21’)在其延伸方向上具有导电性；

电光聚合物(22)，覆盖在所述波导(21’)上，并且至少部分地围绕所述波导(21’)设置；以及

极化电极(23)，分布在所述电光聚合物(22)的两侧；

其中所述波导(21’)还被配置成适于通过在所述波导(21’)的所述延伸方向的两端施加电压，以产生电流，从而将与所述波导(21’)紧邻的预定电光聚合物区域加热到预定的极化温度；

其中所述极化电极(23)被配置成用于在所述预定的极化温度下对所述电光聚合物(22)施加极化电场，以实现所述电光聚合物(22)的极化过程。

12.根据权利要求11所述的电光聚合物器件(2)，其中所述波导(21’)和所述极化电极(23)位于同一水平面上。

13.根据权利要求11所述的电光聚合物器件(2)，还包括温控监测装置(50)，所述温控监测装置(50)包括：

与所述预定电光聚合物区域邻近的PIN结(51)；以及

温控电极(52)，电连接至所述PIN结(51)，并且被配置成用于对所述PIN结(51)施加偏压，以产生PIN电流，其中所述偏压和所述PIN电流之间的关系适于指示所述预定电光聚合物区域的温度。

14.一种光器件，由根据权利要求1-13中任一项所述的电光聚合物器件(2)形成。

15.根据权利要求14所述的光器件，所述光器件为以下器件中的任一者：移相器、相位调制器、光路由器、光开关和光滤波器。

16.一种光集成电路，包括多个根据权利要求1-13中任一项所述的电光聚合物器件(2)。

17.根据权利要求16所述的光集成电路，所述光集成电路为绝缘体上硅(SOI)芯片，其中多个电光聚合物器件(2)各自的衬底层分别由公共硅衬底层的一部分形成。

18.根据权利要求17所述的光集成电路，其中任意相邻两个所述电光聚合物器件(2)之间的间距大于20um，并且所述公共硅衬底层的厚度在200um至750um的范围内。