CN209446819U - 一种低串扰的硅光子波分复用器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低串扰的硅光子波分复用器，属于半导体光信号传输技术领域。该低串扰的硅光子波分复用器，从下至上包括晶圆的衬底、晶圆的埋氧层、波导层和波导的SiO2上包层，所述波导层分别为微环谐振滤波器（MRR）、传输波导和阵列波导光栅（AWG），微环谐振滤波器通过传输波导与阵列波导光栅相连。本实用新型通过在硅光AWG输入端增加微环谐振滤波器进行滤波，对波长调谐系统进行操作，调节微环谐振滤波器的谐振波长，使谐振波长与硅光AWG对应波长进行匹配，对所需波长信号进行进一步滤波实现低串扰特性，有效解决硅光AWG器件串扰性能不佳的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种低串扰的硅光子波分复用器，属于半导体光信号传输技术领域。
背景技术
光纤通信是以光波为载体、光纤为传输媒质的通信方式，承载了全球通信数据容量的90%以上，光网络最大优势在于拥有波分复用技术，具有高速、大容量的传输能力，它的技术进步极大地推动光纤通信事业的发展，给传输技术带来了革命性的变革。基于SOI材料的硅光子器件具有极小的尺寸和低廉的成本，其制备工艺与COMS工艺完全兼容并能与IC电路实现单片集成，凭借这种独特的优势，成为光纤通信研究领域的热点之一。目前硅光子中波分复用器主要有四种结构，刻蚀光栅（EDG）、微环谐振滤波器（Micro-Ring Resonator,MRR）、级联MZI和阵列波导光栅（Silicon arrayed waveguide grating, Silicon AWG ）。刻蚀光栅适用于粗分复用，无法实现密集波分复用，适用范围受到一定限制；微环谐振滤波器通过级联不同半径的微环，利用谐振波长实现解复用，受工艺影响，稳定的波长间隔难以控制，需要增加调谐系统，多个调谐系统会造成较大的额外功耗；MZI通过臂长差实现波分复用，当通道数增加时，级联次数也随之增加，芯片尺寸增大，不利于集成。鉴于以上原因，此三种硅光子器件未在波分复用领域广泛应用。而硅光子阵列波导光栅是一种综合性能最优异的波分复用/解复用器，在许多密集波分复用（dense wavelength divisionmultiplex, DWDM）系统和模块中有举足轻重的地位，目前基于二氧化硅波导的商用AWG已经实现了几百个通道数，通道间隔可达1GHz。随着技术的发展，对传输速率和器件功耗的要求越来越苛刻，与CMOS技术兼容的硅光子得以快速发展，硅光子器件具有极小尺寸和低功耗，且能够跟IC器件进行单片集成，能够实现大规模生产和多功能集成。虽然硅光子器件集成度高、尺寸小，但也限制了一些关键器件的性能。硅光AWG的串扰主要来自于器件尺寸极度减小后波导粗糙度对光散射尤其突出，导致AWG器件的串扰性能不佳，无法大规模应用。
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低串扰的硅光子波分复用器。本实用新型通过在硅光AWG输入端增加微环谐振滤波器进行滤波，对波长调谐系统进行操作，调节微环谐振滤波器的谐振波长，使谐振波长与硅光AWG对应波长进行匹配，对所需波长信号进行进一步滤波实现低串扰特性，有效解决硅光AWG器件串扰性能不佳的问题，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种低串扰的硅光子波分复用器，从下至上包括晶圆的衬底、晶圆的埋氧层、波导层和波导的SiO2上包层，所述波导层分别为微环谐振滤波器110（MRR）、传输波导120和阵列波导光栅130（AWG），微环谐振滤波器110通过传输波导120与阵列波导光栅130相连。
所述微环谐振滤波器110包括输入直波导111、环形谐振腔112、输出直波导113和波长调谐结构7，输入直波导111与位于输入直波导111下部的环形谐振腔112间存在第一耦合区5，输出直波导113与位于输出直波导113上部的环形谐振腔112间存在第二耦合区6，波长调谐结构7为连接驱动电源的加热器，作用在环形谐振腔112上。
所述输入直波导111分为输入直波导输入端1和输入直波导直输出端2，所述输出直波导113分为输出直波导下载端3和输出直波导上载端4。含有不同波长的光信号从输入直波导111的输入直波导输入端1输入，在第一耦合区5耦合进入环形谐振腔112，光信号在环形谐振腔112传输时，仅满足谐振条件的波长在环中引起谐振并在第二耦合区6耦合进入输出直波导113并从输出直波导下载端3输出，实现第一次滤波。基于热光/电光效应的波长调谐结构7在驱动电源作用下，可以改变微环谐振滤波器110的谐振波长，使其输出波长信号与AWG的设计波长匹配，实现分波信号的二次滤波。
所述波长调谐结构7位于波导层且由离子掺杂形成，或者位于波导的SiO2上包层且由高电阻材料（TiN或TaN等）构成。
所述阵列波导光栅130包括输入波导8、输入平板波导9、阵列波导10、输出平板波导11和输出波导12，输入波导8连接输入平板波导9，输入平板波导9通过阵列波导10连接输出平板波导11设置成罗兰圆结构，输出平板波导11连接输出波导12。
所述输出直波导下载端3通过传输波导120连接输入波导8。
所述微环谐振滤波器110的自由光谱区（FSR）与阵列波导光栅130输出光信号的通道间隔一致，且阵列波导光栅130的中心设计波长为微环谐振滤波器110的共振波长。
上述输入波导8和输出波导12为任意正整数，阵列波导光栅130为脊型波导或条形波导。
本低串扰的硅光子波分复用器的工作原理为：基于环形谐振腔的原理，可以对产生谐振光信号的波长自由光谱区进行设计；同时通过热光/电光效应可以改变微环谐振滤波器波导折射率，从而对谐振中心波长进行调节。宽谱光信号从微环谐振滤波器输入直波导输入，宽谱光信号中与环形谐振腔产生作用的波长信号由微环谐振滤波器的输出直波导下载端输出，其输出信号为自由光谱区间隔的连续多波长光信号，即实现第一次滤波；通过热光/电光效应对微环谐振滤波器进行调制，其输出直波导下载端输出的光信号可以施加电压进行改变。此间隔为微环谐振滤波器自由光谱区的连续多波长信号由传输波导进入阵列波导光栅输入波导。当从微环谐振滤波器下载的光信号自由光谱区与阵列波导光栅设计信号的通道间隔一直且满足AWG器件的中心波长为微环谐振滤波器的谐振波长，即AWG输出端口输出的各波长恰好是微环谐振滤波器下载光信号某一段连续谐振波长，则从微环谐振滤波器中输出的光信号经过AWG器件能够实现二次滤波，到达低串扰的目的。由于微环谐振滤波器的插入损耗极低，因此，此器件的总损耗与单个AWG器件近似，能够在取得优异低窜扰特性不明显增大器件总体损耗。
所述低串扰的硅光子波分复用器工艺流程图如图4所示。采用半导体晶圆，基于半导体CMOS制作工艺，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晶圆。经过光刻、曝光形成微环谐振滤波器、阵列波导光栅、传输波导等结构的图形；再用Si浅刻蚀工艺形成微环谐振滤波器、阵列波导光栅、传输波导的脊型波导初步结构，如图4-2所示。
步骤二：采用二次光刻、曝光和Si刻蚀工艺，制备得到完整的脊型结构和条形波导结构，完成微环谐振滤波器、阵列波导光栅和传输波导结构，如图4-3所示。
步骤三：经过清洗后，用PECVD沉积方法，在硅光子波导上方沉积一层厚的SiO2包层，通过反向SiO2刻蚀和抛光得到平整的上表面，如图4-4所示。
步骤四：在SiO2表面沉积TiN金属，并通过光刻与干法刻蚀技术形成加入电极，完成后再TiN电极上沉积一层SiO2，如图4-5所示。
步骤五：通过光刻、曝光和SiO2刻蚀工艺在加热TiN电极上方制备引线孔，刻蚀停到TiN金属上，形成金属沉积孔，如图4-6所示。
步骤六：最后，通过PVD沉积一层金属引线材料Al，并通过光刻/刻蚀技术形成金属引线图形，如图4-7所示。
通过如上的制备工艺，可以在SOI晶圆上制备成低串扰的硅光子波分复用器。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型使用的硅基微环谐振滤波器和阵列波导光栅体积小，易于集成，制备工艺简单且成熟；器件中仅一个微环谐振滤波器和一个波长调谐结构，引入的功耗小；同时微环谐振滤波器的插入损耗极小，不但能够通过微环谐振滤波器进行一次滤波、AWG进行二次滤波得到优异的串扰特性，同时确保器件的总损耗与单个AWG相当。该器件在光通信的波分复用领域有着广泛的应用。
附图说明
图1是本实用新型低串扰波分复用器连接示意图；
图2是本实用新型微环谐振滤波器示意图；
图3是本实用新型阵列波导光栅示意图；
图4是本实用新型微环谐振滤波器侧向耦合工艺处理流程图；
图5是本实用新型微环谐振滤波器垂直耦合工艺处理流程图。
图中：1-输入直波导输入端，2-输入直波导直输出端，3-输出直波导下载端，4-输出直波导上载端，5-第一耦合区，6-第二耦合区，7-调谐系统，8-输入波导，9-输入平板波导，10-阵列波导，11-输出平板波导，12-输出波导，110-微环谐振滤波器，120-传输波导，130-阵列波导光栅，111-输入直波导，112-环形谐振腔，113-输出直波导。
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至图3所示，该低串扰的硅光子波分复用器，从下至上包括晶圆的衬底、晶圆的埋氧层、波导层和波导的SiO2上包层，所述波导层分别为微环谐振滤波器110（MRR）、传输波导120和阵列波导光栅130（AWG），微环谐振滤波器110通过传输波导120与阵列波导光栅130相连。
其中微环谐振滤波器110包括输入直波导111、环形谐振腔112、输出直波导113和波长调谐结构7，输入直波导111与位于输入直波导111下部的环形谐振腔112间存在第一耦合区5，输出直波导113与位于输出直波导113上部的环形谐振腔112间存在第二耦合区6，波长调谐结构7为连接驱动电源的加热器，作用在环形谐振腔112上；输入直波导111上分为输入直波导输入端1和输入直波导直输出端2，所述输出直波导113上分为输出直波导下载端3和输出直波导上载端4。含有不同波长的光信号从输入直波导111的输入直波导输入端1输入，在第一耦合区5耦合进入环形谐振腔112，光信号在环形谐振腔112传输时，仅满足谐振条件的波长在环中引起谐振并在第二耦合区6耦合进入输出直波导113并从输出直波导下载端3输出，实现第一次滤波。基于热光/电光效应的波长调谐结构7在驱动电源作用下，可以改变微环谐振滤波器110的谐振波长，使其输出波长信号与AWG的设计波长匹配，实现分波信号的二次滤波；波长调谐结构7位于波导的SiO2上包层且由高电阻材料（TiN或TaN等）构成；阵列波导光栅130包括输入波导8、输入平板波导9、阵列波导10、输出平板波导11和输出波导12，输入波导8连接输入平板波导9，输入平板波导9通过阵列波导10连接输出平板波导11设置成罗兰圆结构，输出平板波导11连接输出波导12；输出直波导下载端3通过传输波导120连接输入波导8；微环谐振滤波器110的自由光谱区（FSR）与阵列波导光栅130输出光信号的通道间隔一致，且阵列波导光栅130的中心设计波长为微环谐振滤波器110的共振波长。
微环谐振滤波器110、传输波导120和阵列波导光栅130（AWG）器件均在SOI晶圆的相同顶层硅上。SOI晶圆尺寸为8英寸，晶圆厚度为725µm，埋氧层厚度为2µm，顶层硅厚度为220nm。微环谐振滤波器110的输入直波导111/输出直波导113均为宽度500nm的条形波导，环形谐振腔112和耦合区（第一耦合区5和第二耦合区6）均为宽度为500nm、刻蚀深度为110nm的脊型波导，输入直波导111/输出直波导113与环形谐振腔112最小间距为200nm，环形谐振腔直径为31.25µm，自由光谱区FSR为6.4nm。传输波导120宽度为500nm、高度为220nm的脊型波导。AWG器件的阵列波导10为宽度为500nm、刻蚀深度为110nm的脊型波导，阵列波导10长度差为12.95µm，罗兰圆半径为89.3µm，最小完全半径为50µm，衍射级数为20，通道间隔为6.4nm。如图4-1至图4-4所示，在SOI晶圆上通过多次光刻/刻蚀半导体工艺，制作成本实用新型器件的波导结构。在波导形成后，通过PECVD工艺沉积1.5µm厚的SiO2上包层，并通过反向刻蚀和抛光工艺得到平整而光滑的表面；随后在此表面通过PVD技术沉积一层120nm厚的高电阻材料TiN，并通过光刻/刻蚀形成TiN加热电极（如图4-5所示），其为宽度1µm、总长为200µm折返分布结构；在TiN电极材料上方采用PECVD工艺沉积500nm厚的SiO2隔离层，通过光刻/刻蚀技术在TiN上方形成加热电极引线孔（如图4-6所示），引线孔刻蚀停在TiN加热电极上；最后在采用PVD技术沉积2µm的金属引线材料Al，Al材料与TiN加热电极相连，并通过光刻/刻蚀技术形成宽度为10µm的Al金属引线（如图4-7所示），Al金属引线与探测接触的终端结构为边长70µm的正方形。
实施例2
如图1至3所示，该低串扰的硅光子波分复用器，从下至上包括晶圆的衬底、晶圆的埋氧层、波导层和波导的SiO2上包层，所述波导层分别为微环谐振滤波器110（MRR）、传输波导120和阵列波导光栅130（AWG），微环谐振滤波器110通过传输波导120与阵列波导光栅130相连。
其中微环谐振滤波器110包括输入直波导111、环形谐振腔112、输出直波导113和波长调谐结构7，输入直波导111与位于输入直波导111下部的环形谐振腔112间存在第一耦合区5，输出直波导113与位于输出直波导113上部的环形谐振腔112间存在第二耦合区6，波长调谐结构7为连接驱动电源的加热器，作用在环形谐振腔112上；输入直波导111分为输入直波导输入端1和输入直波导直输出端2，所述输出直波导113分为输出直波导下载端3和输出直波导上载端4。含有不同波长的光信号从输入直波导111的输入直波导输入端1输入，在第一耦合区5耦合进入环形谐振腔112，光信号在环形谐振腔112传输时，仅满足谐振条件的波长在环中引起谐振并在第二耦合区6耦合进入输出直波导113并从输出直波导下载端3输出，实现第一次滤波。基于热光/电光效应的波长调谐结构7在驱动电源作用下，可以改变微环谐振滤波器110的谐振波长，使其输出波长信号与AWG的设计波长匹配，实现分波信号的二次滤波；波长调谐结构7位于波导的SiO2上包层且由高电阻材料（TiN或TaN等）构成；阵列波导光栅130包括输入波导8、输入平板波导9、阵列波导10、输出平板波导11和输出波导12，输入波导8连接输入平板波导9，输入平板波导9通过阵列波导10连接输出平板波导11设置成罗兰圆结构，输出平板波导11连接输出波导12；输出直波导下载端3通过传输波导120连接输入波导8；微环谐振滤波器110的自由光谱区（FSR）与阵列波导光栅130输出光信号的通道间隔一致，且阵列波导光栅130的中心设计波长为微环谐振滤波器110的共振波长。
微环谐振滤波器110、传输波导120和阵列波导光栅130（AWG）器件均在SOI晶圆的相同顶层硅上。SOI晶圆尺寸为8英寸，晶圆厚度为725µm，埋氧层厚度为2µm，顶层硅厚度为220nm。微环谐振滤波器110的输入直波导111/输出直波导113均为宽度500nm的条形波导，环形谐振腔112和耦合区（第一耦合区5和第二耦合区6）均为宽度为500nm、刻蚀深度为110nm的脊型波导，输入直波导111/输出直波导113与环形谐振腔112最小间距为200nm，环形谐振腔直径为31.25µm，自由光谱区FSR为6.4nm。传输波导120宽度为500nm、高度为220nm的脊型波导。传输波导120宽度为500nm、高度为220nm的脊型波导。AWG器件的阵列波导由宽度为600nm、厚度为300nm的条形波导构成，阵列波导长度差为7.243µm，罗兰圆半径为268.76µm，最小完全半径为75µm，衍射级数为8，通道间隔为6.4nm。传输波导120含有一个上下耦合结构，下方为梯形硅条形波导，梯形波导宽度由500nm渐变为120nm，长度为500µm；上方为梯形SiN条形波导，梯形波导宽度由150nm渐变为600nm，长度为800µm；梯形硅条形波导与梯形SiN条形波导中间的一层二氧化硅隔离层，其厚度为50nm。本器件工艺如图5所示。在SOI晶圆上通过两次光刻/刻蚀半导体工艺，制作成本实用新型器件的硅波导结构，图5-1至图5-3所示。在波导形成后，通过PECVD工艺沉积100nm厚的SiO2层，并通过反向刻蚀和抛光工艺得到平整而光滑的表面，且硅波导上表面离SiO2层表面距离为50nm，如图5-4所示；在上表面通过PECVD工艺沉积350nm厚的SiN材料，通过CMP工艺得到表面光滑且厚度为300nm的SiN层，如图5-5所示；通过光刻和刻蚀工艺，形成SiN条形波导，图5-6所示；SiN波导形成后，在其上方通过PECVD工艺沉积1.5µm的SiO2层作为波导的上包层，并通过反向刻蚀和CMP工艺使表面平整光滑，如图5-7所示；随后在此表面通过PVD技术沉积一层120nm厚的高电阻材料TiN，并通过光刻/刻蚀形成TiN加热电极（如图5-8所示），其为宽度1µm、总长为200µm折返分布结构；在TiN电极材料上方采用PECVD工艺沉积500nm厚的SiO2隔离层，通过光刻/刻蚀技术在TiN上方形成加热电极引线孔（如图4-6所示），引线孔刻蚀停在TiN加热电极上；最后在采用PVD技术沉积2µm的金属引线材料Al，Al材料与TiN加热电极相连，并通过光刻/刻蚀技术形成宽度为10µm的Al金属引线（如图5-9所示），Al金属引线与探测接触的终端结构为边长70µm的正方形。
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 (7)
1.一种低串扰的硅光子波分复用器，从下至上包括晶圆的衬底、晶圆的埋氧层、波导层和波导的SiO2上包层，其特征在于：所述波导层分别为微环谐振滤波器（110）、传输波导（120）和阵列波导光栅（130），微环谐振滤波器（110）通过传输波导（120）与阵列波导光栅（130）相连。
2.根据权利要求1所述的低串扰的硅光子波分复用器，其特征在于：所述微环谐振滤波器（110）包括输入直波导（111）、环形谐振腔（112）、输出直波导（113）和波长调谐结构（7），输入直波导（111）与位于输入直波导（111）下部的环形谐振腔（112）间存在第一耦合区（5），输出直波导（113）与位于输出直波导（113）上部的环形谐振腔（112）间存在第二耦合区（6），波长调谐结构（7）为连接驱动电源的加热器，作用在环形谐振腔（112）上。
3.根据权利要求2所述的低串扰的硅光子波分复用器，其特征在于：所述输入直波导（111）分为输入直波导输入端（1）和输入直波导直输出端（2），所述输出直波导（113）分为输出直波导下载端（3）和输出直波导上载端（4）。
4.根据权利要求2所述的低串扰的硅光子波分复用器，其特征在于：所述波长调谐结构（7）位于波导层且由离子掺杂形成，或者位于波导的SiO2上包层且由高电阻材料构成。
5.根据权利要求3所述的低串扰的硅光子波分复用器，其特征在于：所述阵列波导光栅（130）包括输入波导（8）、输入平板波导（9）、阵列波导（10）、输出平板波导（11）和输出波导（12），输入波导（8）连接输入平板波导（9），输入平板波导（9）通过阵列波导（10）连接输出平板波导（11）设置成罗兰圆结构，输出平板波导（11）连接输出波导（12）。
6.根据权利要求5所述的低串扰的硅光子波分复用器，其特征在于：所述输出直波导下载端（3）通过传输波导（120）连接输入波导（8）。
7.根据权利要求6所述的低串扰的硅光子波分复用器，其特征在于：所述微环谐振滤波器（110）的自由光谱区与阵列波导光栅（130）输出光信号的通道间隔一致，且阵列波导光栅（130）的中心设计波长为微环谐振滤波器（110）的共振波长。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109669238A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-04-23 | 昆明理工大学 | 一种低串扰的硅光子波分复用器 |
| CN114285469A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-04-05 | 武汉永鼎光通科技有限公司 | 一种用于短距离高速传输的低成本400g光模块及其光调制方法 |
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2019
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