一种硅波导热光调节结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成光学，特别是一种硅波导热光调节结构。
【背景技术】
[0002]近几年光电芯片集成度越来越高，器件尺寸也越来越小。硅材料相比较其它材料，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，可以制作亚微米级光波导器件。硅光子器件与成熟的CMOS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重要趋势。而基于硅材料的无源及有源光器件被广泛研究并加以实现，如滤波器、分路器、调制器等。
[0003]硅材料主要利用等离子色散效应和热光效应来实现波导层折射率调节。QianfanXu等人提出p_i_n电调节结构，利用了载流子色散效应，通过正向偏压注入载流子来实现波导层折射率变化，在OPTICS EXPRESS (Vol.12, N0.2)中“12.5Gbit/scarrier-1nject1n-based silicon micro-ring silicon modulators，，进行了详细介绍。Ansheng Liu等人提出p-η电调节结构，利用载流子色散效应，通过反向偏压抽取载流子来改变波导层折射率，在 OPTICS EXPRESS (Vol.15, N0.2)中 “High-speed opticalmodulat1n based on carrier deplet1n on silicon waveguide”进行了详细介绍。JaimeCardensa等人在波导上方制作金属热电阻，利用热光效应，通过加电发热传导热量来改变波导温度，进而调节硅波导折射率，在OPTICS EXPRESS (Vol.18, N0.25)中“High-speedoptical modulat1n based on carrier dept1n on silicon waveguide，，进行了详细介绍。近期陆梁军等人在 Optical Fiber Communicat1n Conference 上发表的“Enhancednonlinear thermo-optic effect in silicon microring resonators with p-1-pmicroheaters for non-reciprocal transmiss1n”上提出波导热电阻加热娃基微环结构，利用波导层自身作为电阻，外部通电后，热量直接作用于波导层，通过热光效应调节波导折射率。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种硅波导热光调节结构，在上述波导热电阻结构基础上增加金属控制栅极，对波导热电阻施加固定的驱动电压，对金属栅极施加控制电压。通过改变控制电压，实现对硅波导折射率的调节，最终实现对通过本结构输出光的调节。采用这种热调结构的优点在于驱动电压和控制电压分离，驱动电极提供电阻发热功率，而控制电极上无静态功耗，易于和控制电路集成。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]—种硅波导热光调节结构，其特电在于，从下至上依次包括衬底、下包层、波导层、上包层和电极层，所述的下包层的材料为二氧化硅，波导层的材料为高折射率材料硅，上包层的材料为低折射率材料，所述的电极层由分立于两侧的金属电极和中间的金属栅极构成，所述的波导层为脊型波导，由中间的凸形内脊的轻掺杂区和两侧平板形外脊的重掺杂区构成波导热电阻结构，所述的重掺杂区通过所述的上包层的金属通孔与所述的金属电极相通。
[0007]所述的脊型波导的凸形内脊的轻掺杂区的宽度、高度和外脊的重掺杂区的高度满足光单模传输条件，所述的凸形内脊的轻掺杂区的掺杂浓度小于1017cm 3，所述的外脊的重掺杂区的掺杂浓度大于10lscm 3，掺杂类型为p型或η型，形成ρ+-ρ -ρ+或η +_η _η+电阻结构。
[0008]所述的电极层的材料为铝、铜或金。
[0009]上述硅波导热光调节结构的使用方法，在所述的两金属电极之间施加固定的驱动电压，在所述的金属栅极施加控制电压，通过改变该控制电压，实现对硅波导折射率的调节，最终实现对通过本发明结构输出光的调节。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]对波导热电阻加载一定的驱动电压，对金属栅极加载控制电压，用于在波导层上产生电场。通过改变控制电压，使作用在波导层的电场发生改变，调节波导热电阻的电阻率，从而改变电阻加热功率，实现对硅波导折射率的调节，最终实现对通过本发明结构输出光的调节。
[0012]本发明热光调节结构可以将大功率驱动电极和小信号控制电极分离，使热光调控更容易通过集成电路实现，在集成光学中拥有广泛前景。
【附图说明】
[0013]图1为本发明硅波导热光调节结构的示意图。
[0014]图2为本发明应用于硅基微环结构的示意图。
[0015]图3为不同控制电压下，硅波导电阻上电流与驱动电压关系图。
[0016]图4为在15V驱动电压下，硅波导电阻值及加热功率与控制电压关系图。
[0017]图5为在15V驱动电压下，硅基微环谐振器的谐振波长偏移量与控制电压的关系图。
[0018]图6为集成了波导热光调节结构的微环谐振器实验测试装置示意图。
[0019]图7为在15V驱动电压下，微环波导热光调节结构上加载5V ΙΟΚΗζ的方波交流控制电压时，输出光信号的时间响应图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]图1为本发明硅波导热光调节结构的示意图，如图1所示，本发明硅波导热光调节结构，，从下至上依次包括衬底1、下包层2、波导层3、上包层4和电极层5，所述的下包层2的材料为二氧化硅，波导层3的材料为高折射率材料硅，上包层4的材料为低折射率材料，所述的电极层5由分立于两侧的金属电极7和中间的金属栅极6构成，所述的波导层3为脊型波导，由中间的凸形内脊的轻掺杂区9和两侧平板形外脊的重掺杂区8构成波导热电阻结构，所述的重掺杂区8通过所述的上包层4的金属通孔10与所述的金属电极7