CN207895208U - 一种波长无关高消光比的硅光子调制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种波长无关高消光比的硅光子调制器，属于半导体光信号传输技术领域。该硅光子调制器，硅层分为输入硅光子波导、主MZI结构中的硅光子3dB分束器、辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ、主MZI中的相位臂硅光子波导、硅光子输出波导、主MZI中的硅光子合束器和主MZI单元，输入硅光子波导通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器分别连接辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ输入端，辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导，主MZI中的相位臂硅光子波导内部设有主MZI单元，主MZI中的相位臂硅光子波导输出端连接硅光子输出波导。本实用新型通过对辅助MZI进行操作，可以有效解决当前MZI硅光子调制器低消光比和窄波长带宽的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种波长无关高消光比的硅光子调制器，属于半导体光信号传输技术领域。
背景技术
硅光子光电集成波导器件是光通信领域的研究热点，其工艺与CMOS器件工艺完全兼容，能够实现与现有集成电路进行集成；同时由于硅材料具有相对高的材料折射率，其器件尺寸可以到达纳米量级，具有极低的成本和批量生产的特性。硅光子高速调制器在光通信网络、数据中心等数据传输方面有着广泛的应用前景。目前硅光子高速调制器主要有4种结构，微环调制器、MOS结构调制器、GeSi吸收调制器和PN结MZI调制器。微环调制器对光波长非常敏感且调制消光比低，MOS结构调制器由于使用多晶硅材料其光学损耗大，GeSi吸收调制器由于Ge带宽变化小只能在1600nm左右的光波段调制且效率低，鉴于以上的原因，此三种硅光子调制器还未实现广泛应用。PN结MZI结构的硅光子调制器是依靠Si的等离子色散效应实现调制功能，通过注入载流子的浓度变化改变波导折射率。目前，PN结MZI结构的硅光子调制器已经实现了超过50Gbps的OOK模式的调制，通过PAM4或更高的PAM16、偏振调制等模式可以实现更高的调制速率，其调制速率完全满足通信容量增长的需求。然而，PN结MZI结构的调制器也面临关键的问题。首先，其调制功能的实现是基于PN结处载流子浓度的变化（改变波导折射率，进而改变波导中光信号相位），但载流子的浓度会造成光信号的强度变化。当波导中载流子浓度高时，波导中光传输损耗大；当波导中载流子浓度低时，波导中光传输损耗小。当PN结处于较高负偏压下的耗尽模式下，PN结处载流子浓度较低，此时光损耗较低；当PN结处于正偏压或较小负偏压下，PN结处载流子浓度大，光损耗大。对于传统单MZI结构的PN-type硅光子调制器，光信号进入MZI调制臂前，光信号需经过3dB分束器，进入两臂相位调制器前两臂中的光强相同。在对单一调制臂进行调制工作时，在载流子注入模式下（即电压正向导通）因载流子浓度增加导致光强减弱，而在载流子耗尽模式下（负电压）因载流子浓度减小导致光强增大。无论电压的施加方向，在单臂操作时，操作臂光强与未操作的光强不相同，必然导致在MZI合束时消光比不高，使调制器的误码率增大。在对MZI两臂同时操作时，为实现π的相位差，两臂的施加电压不相同，通常使用pull-push电信号（即两调制臂施加反向的等值电压），此时两臂的光强必定相差大，最后在合束后调制器的消光比必然不高。同时，硅光子调制器是采用等离子色散效应来实现调制，其折射率改变效率不高，目前MZI硅光子调制器采用不等臂相位长度，其操作波长带宽受到严重影响，不能对宽波长带宽实现调制。传统基于PN-type的MZI硅光子调制器存在消光比较低、波长带宽狭小等问题，严重阻碍了其广泛应用。
鉴于以上硅光调制器中的问题，我们提出了一种波长无关高消光比的硅光子MZI调制器结构。本实用新型提出的波长无关高消光比的硅光子MZI调制器是采用级联MZI调制结构，即主MZI结构两相位臂中各含有一个辅助MZI结构，该辅助MZI结构含有3dB分束器、PN-type相位调制器和合束器。对主MZI一个调制臂进行相位调制时，当调制臂处于注入模式其光强减弱，为使主MZI两臂中的光强一致，可以对另一个主MZI相位臂中的辅助MZI结构进行操作，使主MZI结构中两相位臂的光强相同，提升输出光的消光比；当主MZI调制臂处于耗尽模式时其光强增大，则对该调制臂相连的辅助MZI结构进行操作减小其输出光强，可使该调制臂与另一主MZI相位臂光强相同。当在主MZI两相位臂使用pull-push电信号时，在辅助MZI结构中采用类似的操作同样可以实现主MZI两相位臂中光强的平衡。MZI两臂中的光强相同情况下，通过两臂相位差π的相位差的调节，可实现调制器高消光比和宽波长带宽操作。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种波长无关高消光比的硅光子调制器。本实用新型通过对辅助MZI进行操作，可以有效解决当前MZI硅光子调制器低消光比和窄波长带宽的问题，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种波长无关高消光比的硅光子调制器，包括从下至上的SOI晶片的衬底、SOI晶片的埋氧层、硅层和硅光子波导的SiO2上包层，所述硅层分为输入硅光子波导、主MZI结构中的硅光子3dB分束器、辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ、主MZI中的相位臂硅光子波导、硅光子输出波导、主MZI中的硅光子合束器和主MZI单元，输入硅光子波导通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器分别连接辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ输入端，辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导，主MZI中的相位臂硅光子波导内部设有主MZI单元，主MZI中的相位臂硅光子波导输出端连接硅光子输出波导。
所述辅助MZI单元Ⅰ包括辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ和辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ；辅助MZI单元Ⅱ包括辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ和辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ，所述输入硅光子波导通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器分别连接辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ和辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ，辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ输出端均连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ；辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ输出端连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ。
所述主MZI单元包括主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ，所述辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ输入端，辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ输入端。
所述主MZI中的相位臂硅光子波导包括主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ，主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ，主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ输出端连接主MZI中的硅光子合束器。
所述输入硅光子波导横截面为条形或脊型结构；硅光子输出波导为单模硅光子波导，其横截面为条形或脊型。
所述主MZI结构中的硅光子3dB分束器、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ、辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ、辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ、主MZI中的硅光子合束器结构相同，结构为Y-型、MMI型或定向耦合器DC型，其分光比为50:50，其横截面结构为条形或脊型。
所述辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ、主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ是单模脊型硅光子波导，辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ和辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ长度相同，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ长度相同。
所述辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ、主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ结构相同，所述PN-type硅光子相位调制器均包括相位调制器中的硅光子脊型波导、P-掺杂区、P+掺杂区、N-掺杂区、N+掺杂区、引线孔和金属电极，硅光子脊型波导位于SOI晶片的埋氧层上方，P-掺杂区、N-掺杂区分别由III族离子和V族离子轻掺杂形成且位于硅光子脊型波导脊型区，并在脊型区相连接形成水平的PN-type结构，P+掺杂区、N+掺杂区分别由III族离子和V族离子重掺杂形成，位于硅光子脊型波导两侧的平板波导，分别与P-掺杂区和N-掺杂区的外侧相连接或重叠，并与硅光子脊型波导的脊型区域有间隔以防止对波导中光的吸收；P+掺杂区、N+掺杂区上分别设有若干引线孔，金属电极的一端通过引线孔与P+掺杂区或N+掺杂区相连，另一端位于引线孔上方并穿透硅光子波导的SiO2上包层29；金属电极的正、负极通过引线孔（Via）结构分别与P+掺杂区与N+掺杂区相连接，硅光子脊型波导与相位臂硅光子波导具有相同横截面结构并且相连。
上述金属电极为金属材料，如Al、Cu、W等。
该波长无关高消光比的硅光子调制器的工作原理为：
当在主MZI中的一个PN-type硅光子相位调制器施加正偏压时，载流子处于注入状态，过多的载流子将对经过此主相位调制器硅光子波导中的光信号进行吸收而减小光信号的光强，而另外一个未操作的主PN-type硅光子相位调制器中的光强保持不变；同时由于主MZI结构中的硅光子3dB分束器（即分束器两输出端光强相同）。因此，在一个PN-type硅光子相位调制器施加正向偏压，两主相位调制器的输出光强不一致，这导致消光比低。如果在一个主PN-type硅光子相位调制器施加正偏压，同时在另一个未操作的主PN-type硅光子相位调制器相连接的一个辅助PN-type硅光子相位调制器施加一个合适的偏压，通过MZI原理可以减小未操作的主PN-type硅光子相位调制器中的光强，并使该相位调制器中的光强与施加偏压的主PN-type硅光子相位调制器光强保持一致，从而实现高消光比。
当在主MZI中的一个PN-type硅光子相位调制器施加负偏压时，载流子处于抽空状态，与未施加电压时相比，减少的载流子将增大经过此相位调制器硅光子波导中光强，而未操作的主PN-type硅光子相位调制器中的光强保持不变，因此两主相位调制器的输出光强不一致，导致消光比低。如果在一个主PN-type硅光子相位调制器施加负偏压，同时在此操作的主PN-type硅光子相位调制器相连接的一个辅助PN-type硅光子相位调制器施加一个合适的偏压，通过MZI原理可以减小此操作的主PN-type硅光子相位调制器中的光强，并使该相位调制器中的光强与未操作的主PN-type硅光子相位调制器光强保持一致，从而实现高消光比。
同理，当两主PN-type硅光子相位调制器分别施加一个正向和一个反向偏压，通过在辅助PN-type硅光子相位调制器施加合适的偏压，即可实现两主PN-type硅光子相位调制器的输出光强一直，实现高消光比。
本实用新型的主、辅助相位臂硅光子波导都具有等臂长度，因此对波长不敏感，可以实现波长无关操作。
采用SOI晶片，基于半导体CMOS制作工艺，可以实现本实用新型提出的波长无关高消光比的硅光子MZI调制器。主要集成工艺流程如下。
步骤一：如图4-1所示，器件是基于SOI晶片。经过光刻、曝光和Si的浅刻蚀工艺形成脊型波导的脊结构，如图4-2所示。采用第二次光刻、曝光和Si刻蚀工艺，制作得到完整的脊型波导结构，如图4-3所示。采用以上相同的两次光刻、曝光和Si刻蚀工艺，在相同的SOI晶片上也可以得到条形硅波导。
步骤二：经过清洗后，在Si波导上沉积一层screen SiO2保护层，防止注入的离子对硅波导表面的伤害。随后进行光刻、曝光形成P-掺杂图形。采用III族离子注入，完成P-的掺杂，如图4-4所示。P-掺杂完成后，去胶并清洗；随后在进行光刻、曝光形成N-掺杂图形，采用V族离子注入，完成N-区的掺杂，如图4-5所示。
步骤三：去胶并清洗后，采用相同的光刻、曝光工艺先后完成P+区和N+区的掺杂，如图4-6和4-7所示。
步骤四：去胶并清洗后，用PECVD沉积方法，在硅光子波导上方沉积一层厚(厚度通常1~3微米)的SiO2包层，通过反向SiO2刻蚀和抛光得到平整的上表面。通过光刻、曝光与SiO2刻蚀工艺制作引线孔（Via）, 刻蚀停在P+/N+掺杂Si上表面，如图4-8所示。
步骤五：通过去胶与清洗，在晶片上沉积金属层。通过光刻、曝光与SiO2刻蚀工艺制作金属电极，如图4-9所示。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型是对目前MZI结构的硅光子调制器的有效改进，通过引入辅助MZI结构能够对工作中的主MZI相位臂因载流子的注入/抽空造成光强变化进行补偿与平衡，能够极大提搞MZI硅光子调制器的消光比（调制深度），在此基础上采用等臂相位增大调制的波长范围，使器件性能与波长具有无关性。本实用新型中所有的工艺均与目前CMOS工艺完全兼容，能够实现器件的大规模量产，有助于推动硅光子集成器件的广泛应用。本实用新型在光纤通信、数据中心、大型计算机系统、军事、医疗等研究领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型调制器基本结构示意图；
图2是本实用新型PN-type相位调制器的俯视图；
图3是本实用新型PN-type相位调制器的截面示意图（基于Al金属电极）；
图4是本实用新型调制器制备工艺流程示意图（基于Al金属电极）；
图5是本实用新型PN-type相位调制器的截面示意图（基于Cu/W金属电极）；
图6是本实用新型调制器制备工艺流程示意图（基于Cu/W金属电极）。
图中：1-输入硅光子波导，2-主MZI结构中的硅光子3dB分束器，3-辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ，4-辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ，5-辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ，6-辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ，7-辅助MZI单元Ⅰ，8-辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ，9-辅助MZI单元Ⅱ，10-辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ，11-辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ，12-辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ，13-辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ，14-辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ，15-主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ，16-主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ，17-硅光子输出波导，18-主MZI中的硅光子合束器，19-主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ，20-主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ，21-主MZI单元，22-相位调制器中的硅光子脊型波导，23-P-掺杂区，24-P+掺杂区，25-N-掺杂区，26-N+掺杂区，27-引线孔，28-金属电极，29-硅光子波导的SiO2上包层，30- SOI晶片的埋氧层，31-SOI晶片的衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至4所示，该波长无关高消光比的硅光子调制器，包括从下至上的SOI晶片的衬底31、SOI晶片的埋氧层30、硅层和硅光子波导的SiO2上包层29，所述硅层分为输入硅光子波导1、主MZI结构中的硅光子3dB分束器2、辅助MZI单元Ⅰ7、辅助MZI单元Ⅱ9、主MZI中的相位臂硅光子波导、硅光子输出波导17、主MZI中的硅光子合束器18和主MZI单元21，输入硅光子波导1通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器2分别连接辅助MZI单元Ⅰ7、辅助MZI单元Ⅱ9输入端，辅助MZI单元Ⅰ7、辅助MZI单元Ⅱ9输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导，主MZI中的相位臂硅光子波导内部设有主MZI单元21，主MZI中的相位臂硅光子波导输出端连接硅光子输出波导17。
其中辅助MZI单元Ⅰ7包括辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ6和辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8；辅助MZI单元Ⅱ9包括辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ10、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ13和辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14，所述输入硅光子波导1通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器2分别连接辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3和辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11，辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ6，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4输出端均连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8；辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ10和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ13，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12输出端连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14。
其中主MZI单元21包括主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20，所述辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20输入端，辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15输入端。
其中主MZI中的相位臂硅光子波导包括主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19，主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16，主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19输出端连接主MZI中的硅光子合束器18。
其中输入硅光子波导1横截面为条形，波导高度为220nm，宽度为500nm。SOI晶片的埋氧层30厚度为2µm，硅光子波导的SiO2上包层29厚度为2µm；硅光子输出波导17为单模硅光子波导，其横截面为条形。
其中主MZI结构中的硅光子3dB分束器2结构为条形波导的MMI型，长为1.85µm，宽度为1.5µm，在1550nm通信波导分光比为50:50，其横截面结构为条形，辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3、辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11、辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14、主MZI中的硅光子合束器18为条形波导的MMI型。
其中辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12、主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19是单模脊型硅光子波导，辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4和辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12长度相同，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19长度相同。
其中辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ6、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ10、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ13波导为脊型波导，宽度为500nm，内脊高220nm，外脊高为90nm；相位调制器长度为500µm；主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20结构与辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5相同，其长度为2mm；所述PN-type硅光子相位调制器均包括相位调制器中的硅光子脊型波导22、P-掺杂区23、P+掺杂区24、N-掺杂区25、N+掺杂区26、引线孔27和金属电极28，硅光子脊型波导22位于SOI晶片的埋氧层30上方，P-掺杂区23、N-掺杂区25分别由III族离子和V族离子轻掺杂形成且位于硅光子脊型波导22脊型区，并在脊型区相连接形成水平的PN-type结构，P+掺杂区24、N+掺杂区26分别由III族离子和V族离子重掺杂形成，位于硅光子脊型波导22两侧的平板波导，分别与P-掺杂区23和N-掺杂区25的外侧相连接或重叠，并与硅光子脊型波导22的脊型区域有间隔以防止对波导中光的吸收；P-掺杂区23的注入离子为硼离子，注入浓度为6e12/cm2；N-掺杂区25的注入离子为磷离子，注入浓度为4e12/cm2；P+掺杂区24与N+掺杂区26注入离子分别为硼离子和磷离子，浓度均为4e15/cm2，其与脊型波导边缘距离为1.2µm；P+掺杂区24、N+掺杂区26上分别设有若干引线孔27；金属电极28的一端通过引线孔27与P+掺杂区24或N+掺杂区26相连，另一端位于引线孔27上方并穿透硅光子波导的SiO2上包层29；金属电极28的正、负极通过引线孔27（Via）结构分别与P+掺杂区24与N+掺杂区26相连接，硅光子脊型波导22与相位臂硅光子波导具有相同横截面结构并且相连。
引线孔27（Via）直径为5µm，其边缘与硅光子脊型波导22边缘距离为1.5µm；在P+掺杂区24与N+掺杂区26内引线孔27（Via）的数量均为400个且相邻中心间距为10µm。金属电极28为双层结构，分别为Tia层和Al层，厚度分别为25nm和2µm。
其制作工艺为：使用SOI晶片，如图4-1所示；通过第一步曝光、光刻与硅刻蚀形成脊型波导的脊型结构，如图4-2所示；通过第二次曝光、光刻和硅刻蚀，此时硅刻蚀到埋氧层，形成完整的脊型波导结构，如图4-3所示；同时在晶片上通过以上两次刻蚀可以形成硅基条形波导结构；通过四次曝光、光刻、掺杂与清洗工艺分别完成P-/N-/P+/N+四层离子注入掺杂，如图4-4至4-7，后在1100οC温度下进行5分钟的退伙处理。掺杂、退伙完成后，在波导上沉积一层1.5µm的SiO2上包层；通过曝光、光刻和SiO2刻蚀工艺形成Via，如图4-8；最后沉积25nm厚的TaN和2µm的Al金属层，通过光刻、金属刻蚀工艺形成金属电极，如图4-9所示。
实施例2
如图1、2、5和6所示，该波长无关高消光比的硅光子调制器，包括从下至上的SOI晶片的衬底31、SOI晶片的埋氧层30、硅层和硅光子波导的SiO2上包层29，所述硅层分为输入硅光子波导1、主MZI结构中的硅光子3dB分束器2、辅助MZI单元Ⅰ7、辅助MZI单元Ⅱ9、主MZI中的相位臂硅光子波导、硅光子输出波导17、主MZI中的硅光子合束器18和主MZI单元21，输入硅光子波导1通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器2分别连接辅助MZI单元Ⅰ7、辅助MZI单元Ⅱ9输入端，辅助MZI单元Ⅰ7、辅助MZI单元Ⅱ9输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导，主MZI中的相位臂硅光子波导内部设有主MZI单元21，主MZI中的相位臂硅光子波导输出端连接硅光子输出波导17。
其中辅助MZI单元Ⅰ7包括辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ6和辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8；辅助MZI单元Ⅱ9包括辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ10、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ13和辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14，所述输入硅光子波导1通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器2分别连接辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3和辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11，辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ6，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4输出端均连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8；辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ10和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ13，两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12输出端连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14。
其中主MZI单元21包括主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20，所述辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20输入端，辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15输入端。
其中主MZI中的相位臂硅光子波导包括主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19，主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16，主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19输出端连接主MZI中的硅光子合束器18。
其中输入硅光子波导1横截面为条形，波导高度为220nm，宽度为500nm。SOI晶片的埋氧层30厚度为2µm，硅光子波导的SiO2上包层29厚度为2µm；硅光子输出波导17为单模硅光子波导，其横截面为条形。
其中主MZI结构中的硅光子3dB分束器2结构为条形波导的MMI型，长为1.85µm，宽度为1.5µm，在1550nm通信波导分光比为50:50，其横截面结构为条形，辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ3、辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ8、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ11、辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ14、主MZI中的硅光子合束器18为条形波导的MMI型。
其中辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12、主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19是单模脊型硅光子波导，辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ4和辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ12长度相同，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ16和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ19长度相同。
其中辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ6、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ10、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ13波导为脊型波导，宽度为500nm，内脊高220nm，外脊高为90nm；相位调制器长度为500µm；主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ15和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ20结构与辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ5相同，其长度为2mm；所述PN-type硅光子相位调制器均包括相位调制器中的硅光子脊型波导22、P-掺杂区23、P+掺杂区24、N-掺杂区25、N+掺杂区26、引线孔27和金属电极28，硅光子脊型波导22位于SOI晶片的埋氧层30上方，P-掺杂区23、N-掺杂区25分别由III族离子和V族离子轻掺杂形成且位于硅光子脊型波导22脊型区，并在脊型区相连接形成水平的PN-type结构，P+掺杂区24、N+掺杂区26分别由III族离子和V族离子重掺杂形成，位于硅光子脊型波导22两侧的平板波导，分别与P-掺杂区23和N-掺杂区25的外侧相连接或重叠，并与硅光子脊型波导22的脊型区域有间隔以防止对波导中光的吸收；P-掺杂区23的注入离子为硼离子，注入浓度为6e12/cm2；N-掺杂区25的注入离子为磷离子，注入浓度为4e12/cm2；P+掺杂区24与N+掺杂区26注入离子分别为硼离子和磷离子，浓度均为4e15/cm2，其与脊型波导边缘距离为1.2µm；P+掺杂区24、N+掺杂区26上分别设有若干引线孔27；另一端位于引线孔27上方并穿透硅光子波导的SiO2上包层29；金属电极28的正、负极通过引线孔27（Via）结构分别与P+掺杂区24与N+掺杂区26相连接，硅光子脊型波导22与相位臂硅光子波导具有相同横截面结构并且相连。
引线孔27（Via）直径为5µm，其边缘与硅光子脊型波导22边缘距离为1.5µm；在P+掺杂区24与N+掺杂区26内引线孔27（Via）的数量均为400个且相邻中心间距为10µm。金属电极28为含有两部分，其中Via内部的金属为50nm的TaN和1.5µm的W，Via外部金属层为50nm的TaN和1.0µm的Cu。
其制作工艺为：使用SOI晶片，如图6-1所示；通过第一步曝光、光刻与硅刻蚀形成脊型波导的脊型结构，如图6-2所示；通过第二次曝光、光刻和硅刻蚀，此时硅刻蚀到埋氧层，形成完整的脊型波导结构，如图6-3所示；同时在晶片上通过以上两次刻蚀可以形成硅基条形波导结构；通过四次曝光、光刻、掺杂与清洗工艺分别完成P-/N-/P+/N+四层离子注入掺杂，如图6-4至6-7，后在1100οC温度下进行5分钟的退伙处理。掺杂、退伙完成后，在波导上沉积一层1.5µm的SiO2上包层；通过曝光、光刻和SiO2刻蚀工艺形成Via，如图6-8；沉积50nm厚的TaN和1.5µm的W金属层，通过抛光工艺，形成W的金属孔线，如图6-9；再沉积1.0µm的SiO2，如图6-10；通过光刻、SiO2刻蚀工艺形成金属电极的凹槽结构，如图6-11所示；沉积50nm厚的TaN和1.0µm的Cu金属层，通过抛光工艺，形成Cu的金属层，如图6-12。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种波长无关高消光比的硅光子调制器，包括从下至上的SOI晶片的衬底（31）、SOI晶片的埋氧层（30）、硅层和硅光子波导的SiO2上包层（29），其特征在于：所述硅层分为输入硅光子波导（1）、主MZI结构中的硅光子3dB分束器（2）、辅助MZI单元Ⅰ（7）、辅助MZI单元Ⅱ（9）、主MZI中的相位臂硅光子波导、硅光子输出波导（17）、主MZI中的硅光子合束器（18）和主MZI单元（21），输入硅光子波导（1）通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器（2）分别连接辅助MZI单元Ⅰ（7）、辅助MZI单元Ⅱ（9）输入端，辅助MZI单元Ⅰ（7）、辅助MZI单元Ⅱ（9）输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导，主MZI中的相位臂硅光子波导内部设有主MZI单元（21），主MZI中的相位臂硅光子波导输出端连接硅光子输出波导（17）。
2.根据权利要求1所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述辅助MZI单元Ⅰ（7）包括辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ（3）、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ（4）、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（5）、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（6）和辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ（8）；辅助MZI单元Ⅱ（9）包括辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ（10）、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ（11）、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ（12）、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ（13）和辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ（14），所述输入硅光子波导（1）通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器（2）分别连接辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ（3）和辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ（11），辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ（3）连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ（4），两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ（4）内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（5）和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（6），两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ（4）输出端均连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ（8）；辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ（11）连接两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ（12），两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ（12）内部分别设有辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ（10）和辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ（13），两个辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ（12）输出端连接辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ（14）。
3.根据权利要求2所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述主MZI单元（21）包括主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（15）和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（20），所述辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ（8）连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（20）输入端，辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ（14）连接主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（15）输入端。
4.根据权利要求3所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述主MZI中的相位臂硅光子波导包括主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ（16）和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ（19），主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（15）输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ（16），主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（20）输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ（19），主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ（16）和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ（19）输出端连接主MZI中的硅光子合束器（18）。
5.根据权利要求4所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述输入硅光子波导（1）横截面为条形或脊型结构；硅光子输出波导（17）为单模硅光子波导，其横截面为条形或脊型。
6.根据权利要求5所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述主MZI结构中的硅光子3dB分束器（2）、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅰ（3）、辅助MZI的硅光子合束器Ⅰ（8）、辅助MZI硅光子3dB分束器Ⅱ（11）、辅助MZI的硅光子合束器Ⅱ（14）、主MZI中的硅光子合束器（18）结构相同，结构为Y-型、MMI型或定向耦合器DC型，其分光比为50:50，其横截面结构为条形或脊型。
7.根据权利要求6所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ（4）、辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ（12）、主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ（16）和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ（19）是单模脊型硅光子波导，辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅰ（4）和辅助MZI相位臂硅光子波导Ⅱ（12）长度相同，主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅰ（16）和主MZI中的相位臂硅光子波导Ⅱ（19）长度相同。
8.根据权利要求7所述的波长无关高消光比的硅光子调制器，其特征在于：所述辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（5）、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（6）、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅲ（10）、辅助MZI的PN-type硅光子相位调制器Ⅳ（13）、主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅰ（15）和主MZI中的PN-type硅光子相位调制器Ⅱ（20）结构相同，所述PN-type硅光子相位调制器均包括相位调制器中的硅光子脊型波导（22）、P-掺杂区（23）、P+掺杂区（24）、N-掺杂区（25）、N+掺杂区（26）、引线孔（27）和金属电极（28），硅光子脊型波导（22）位于SOI晶片的埋氧层（30）上方，P-掺杂区（23）、N-掺杂区（25）分别由III族离子和V族离子轻掺杂形成且位于硅光子脊型波导（22）脊型区，并在脊型区相连接形成水平的PN-type结构，P+掺杂区（24）、N+掺杂区（26）分别由III族离子和V族离子重掺杂形成，位于硅光子脊型波导（22）两侧的平板波导，分别与P-掺杂区（23）和N-掺杂区（25）的外侧相连接或重叠，并与硅光子脊型波导（22）的脊型区域有间隔；P+掺杂区（24）、N+掺杂区（26）上分别设有若干引线孔（27）；金属电极（28）的一端通过引线孔（27）与P+掺杂区（24）或N+掺杂区（26）相连，另一端位于引线孔（27）上方并穿透硅光子波导的SiO2上包层（29）；硅光子脊型波导（22）与相位臂硅光子波导具有相同横截面结构并且相连。
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|---|---|---|---|---|
| CN109596570A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-04-09 | 昆明理工大学 | 一种基于硅基光电探测器的生化传感系统 |
| CN113671730A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-19 | 中南大学 | 一种硅光子pin结光衰减结构 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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|
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Effective date of registration: 20210723 Address after: 201306 building C, No. 888, Huanhu West 2nd Road, Lingang New Area, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Yipu (Shanghai) semiconductor manufacturing Co.,Ltd. Address before: Building 1, science and innovation headquarters, Shenzhen (Harbin) Industrial Park, 288 Zhigu street, Songbei District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee before: Harbin Zhongda Electronic Co., Ltd |