一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用光敏电阻反馈来降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，利用光敏电阻作为微腔加热器，使微腔折射率调节幅度与光功率强度呈正相关，从而增强谐振热光非线性效应，降低双稳态的光功率阈值，属于集成光电子学领域。
【背景技术】
[0002]光学双稳态(optical bistability, OB)是非线性光学与光电子学交叉领域内一个重要的研宄课题，它表示一光学系统在给定输入光强下，存在两种不同稳定输出状态的现象，亦可描述为输出和输入光强曲线之间呈现磁滞回线关系。这种独特的光学性质可以实现多种全光信号处理功能，如逻辑单元、转换开关、存储元件等，在光通信、光存储和集成光学中具有广泛的应用前景(参见 H.Gibbs, Optical Bistability Controlling LightWith Light(Academic, 1985).)。
[0003]光学双稳态系统需同时满足两个必要条件:具有非线性光学介质和反馈机制。早在上个世纪七十年代末就有学者提出在半导体中实现光学双稳态，H.M.Gibbs等人在Applied Physics Letters 上发表的论文“Optical bistability in semiconductors，，中提出基于II1-V族材料GaAs，利用F-P共振腔结构，增强光致激子吸收效应，改变材料折射率，引起吸收峰的漂移，实现了色散型光学双稳态(参见Gibbs H M, McCall SL,Venkatesan T N C，et al.0ptical bistability in semiconductors[J].AppliedPhysics Letters, 1979，35(6):451-453)。然而用II1-V族材料制作器件成本高，维护费用昂贵；相对而言，硅材料由于其与空气和二氧化硅之间的高折射率差，具有很强的光场限制能力，可用于制作亚微米级光波导器件；更重要的是硅基光子器件与成熟的CMOS集成电路工艺兼容，具有低制备成本、易大规模集成的特点，是未来光器件发展的必然趋势。
[0004]近年来，基于硅材料的无源及有源集成光电器件被广泛提出并实现，如光滤波器、光分路器、光调制器等。同时，作为光存储和光信号处理运算中的重要器件，光学双稳器件(optical bistability device, OBD)也不断被报道。目前，国内外众多科研机构已成功设计出多种硅基微腔结构(如微环、微盘、光子晶体等)，利用微腔作为反馈机制，增强光与物质的作用强度，提高硅材料微弱的非线性，来实现光学双稳态。Michal Lipson等人首次提出了紧凑的硅基微环结构，利用其极强的光场限制能力，通过热光效应实现了低功耗的热光双稳态(参见 Almeida V R, Lipson M.0ptical bistability on a silicon chip [J].0ptics letters, 2004，29(20):2387-2389)。之后，该团队在原有的实验和理论基础上，使用类似的微环结构，通过等离子色散效应，在改变输入激光泵浦条件下，实现了响应时间更短的光学双稳态(参见 Xu Q, Lipson M.Carrier-1nduced optical bistability insilicon ring resonators [J].0ptics letters, 2006，31 (3): 341-343)。但是在该实验中，对输入脉冲激光器的脉宽有严格限定，同时需要依赖高速调制器，以使得等离子色散效应抑制热光效应，因而其测试系统较为复杂。
[0005]而相对微环谐振腔结构，光子晶体谐振腔结构具有模式体积小和品质因子高的特性，当在光子晶体中引入缺陷，设计耦合腔，会产生局域场增强效应，实现完美的光学双稳态(参见 Dharanipathy U P, Minkov M, Tonin M, et al.High-Q silicon photoniccrystal cavity for enhanced optical nonlinearities[J].Applied PhysicsLetters, 2014, 105 (10): 101101) ?但是受限于当前的工艺精度要求，实际制备的光子晶体尺寸与设计存在一定误差，因而无法稳定批量生产，使其实际应用受限。
[0006]另一方面，最近陆梁军等人提出的用p-1-p电阻加热硅基微环结构，并实现了光学非互易性传输。此结构简单、系统功耗较小，并且响应时间较短(参见Lu L, Zhou L，LiX, et al.Enhanced Nonlinear Thermo-optic Effect in Silicon Microring Resonatorswith pip Microheaters for Non-reciprocal Transmiss1n[C]//Optical FiberCommunicat1n Conference.0ptical Society of America, 2014:Th2A.27)。
[0007]基于上述结论，我们考虑采用一种在谐振腔内集成光敏电阻进行反馈调节的硅基热光双稳态结构，以获得更低的双稳态光功率阈值。这种方法有别于传统的通过提高微腔Q值来降低阈值的方法，大大降低了对器件加工的要求。
【发明内容】
[0008]本发明是基于现有的硅基光子学理论和成熟的制备工艺基础，针对上述问题和现有技术的不足，提出的一种在谐振腔内集成光敏电阻用于反馈调节的硅基热光双稳态结构，利用光敏电阻作为微腔加热器，增强谐振热光非线性效率，使其折射率调节幅度与光功率强度呈正相关，从而降低热光双稳态的光功率阈值。
[0009]为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0010]一种利用光敏电阻反馈降低微腔热光双稳态光功率阈值的结构，其特点在于，包括:
[0011]微型谐振腔，用于提供光学双稳态所需的光反馈回路；
[0012]光敏电阻嵌于所述的微型谐振腔内，利用它在恒定电压源或电流源下所产生的热量对光功率的敏感性，来增强实现光学双稳态所需的硅波导热光非线性效应。
[0013]所述的微型谐振腔为微环、微盘、光子晶体或法布里-珀罗谐振腔。
[0014]所述的微型谐振腔的核心材料为高折射的硅材料，上包层和下包层的材料为低折射率材料。
[0015]所述的高折射的硅材料为单晶硅、多晶硅或无定型硅，所述的低折射率材料为二氧化硅、氮化硅或聚合物。
[0016]所述的光敏电阻集成于微型谐振腔内，由本征或轻掺杂硅材料构成，光敏电阻两侧为重掺杂区，和金属形成欧姆接触。
[0017]优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、微环波导层、上包层和电极层，所述的微环波导层为脊型结构，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，内脊区即微环波导芯区为本征i区，其两侧的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏电阻结构。
[0018]优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、微盘波导层、上包层和电极层，所述的微盘波导层为脊型结构，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，微盘边缘的内脊区为本征i区，微盘中心的内脊区及微盘以外的外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏电阻结构；
[0019]优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的波导层为在直波导的输入输出端同时嵌有周期性光栅的脊型结构，以构成法布里-珀罗微型谐振腔，其中脊型波导的内脊宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，在FP腔内部，内脊区也即直波导芯区为本征i区，其两侧外脊区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏电阻结构。
[0020]优选的，具体包括由下至上的衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的波导层为带有缺陷的二维周期性排布的微孔结构，微孔的周期常数和线缺陷区宽度满足光单模传输条件，在线缺陷区的一侧，存在的点缺陷区为本征i区，其两侧微孔结构的无缺陷区为重掺杂区，其中重掺杂类型可以是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏电阻结构。
[0021]在电阻上加上一定强度的电压，根据欧姆定律，当电流流经电阻，波导层作为热电阻产生热量，波导芯区温度升高，由于热光效应，波导折射率随之增大，微腔的谐振谱向长波长移动，当所加偏压进一步加大，逐渐出现非对称的谐振特性；另外，重掺杂区的电阻率远低于波导区，所以热量主要产生于波导区，这样能直接作用于模场，进一步降低系统功耗。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0023]I)利用微腔内集成的光敏电阻来增强热光非线性效应，外接直流电源通电后，热效应致使波导层芯区温度升高。
[0024]2)与传统微腔结构相比，在同等输入光功率条件下，热光效应被进一步放大，波导芯层的折射率调节幅度也随之进一步增大。
[0025]3)相对于传统只依赖提高微腔Q值来降低光功率阈值的方法，本发明通过电能转换为热能，增强微腔热光非线性，来减少输入光功率的阈值，降低系统调节功耗，大大降低了对器件工艺加工的要求。
【附图说明】
[0026]图1为集成了光敏电阻的不同微腔结构示意图，其中(a)为集成光敏电阻的微环结构示意图，(b)为集成光敏电阻的微盘结构示意图，(c)为集成光敏电阻的FP腔结构示意图，(d)为集成光敏电阻的光子晶体微腔结构示意图。
[0027]图2为本发明其中一种用p-1-p型光敏电阻加热的硅基微环折射率热光调节结构示意图
[0028]图3为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构电流与电压关系图
[0029]图4为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构加电稳定后的温度分布图
[0030]图5为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构调节功耗与硅波导有效折射率关系图
[0031]图6为本发明特殊硅基微环波导折射率热光调节结构实现的光学双稳态输出与输入光强间的磁滞回线图
【具