专利名称：一种硅波导折射率热光调节结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅波导折射率热光调节结构，属于集成光电子学领域。
背景技术：
近几年，集成光电技术发展迅速，器件的尺寸越来越小，芯片的集成度越来越高，光波导的截面尺寸已经缩小到了亚微米尺度。硅材料由于其与空气和二氧化硅之间的高折射率差，具有很强的光限制能力，易于制作亚微米级的光波导器件；其制作工艺与微电子集成电路工艺兼容,既大大减少了成本,又便于实现光电集成,使之成为光电集成芯片最有竞争力的材料之一。许多基于硅波导的无源及有源集成光电器件已经被提出并实现，如光滤波器、光分路器、光调制器等。有源器件中的调节结构，主要通过电或者热作用改变波导折射率，从而改变器件性能，实现器件的可调性，是有源器件重要组成部分。由于硅材料没有线性电光(泡克耳斯)效应，所以我们需要采用其他方式来实现波导层折射率调节。当前主要利用等离子色散效应和热光效应来实现硅波导折射率调节。对于如何增加调节结构的调节范围，减小调节功耗，加快调节速度，很多国内外机构展开了相关研究。Qianfan Xu 等人在 OPTICS EXPRESS (Vol. 12，No. 2)上发表的论文 “ 12. 5Gbit/s carrier-1njection-based silicon micro-ring silicon modulators，，中提出 p-1-n电调节结构，利用载流子色散效应，通过正向偏压注入载流子来改变折射率；这种结构波导折射率调节范围较大，但响应时间较长，而且载流子注入会增加吸收损耗。Ansheng Liu等人在 OPTICS EXPRESS (Vol. 15，No. 2)上发表的论文 “High-speed optical modulationbased on carrier depletion in a silicon waveguide，，中提出用 p_n 电调节结构，通过反向偏压抽取载流子来改变折射率；这种结构的响应时间较短，但由于反压电流小，折射率调节范围小。Xi Xiao等人在OPTICS EXPRESS (Vol. 20，No. 3)上发表的论文“25Gbit/s siliconmicroring modulator based on misalignment-tolerant interleaved PNjunctions”中提出用交趾p_n电调节结构，同样通过反向偏压抽取载流子，但通过交趾设计使得p-n耗尽层与光场重叠区更大，该结构相对于p_n电调节结构具有更高的调节效率。Jaime Cardenas 等人在 OPTICS EXPRESS (Vol. 18，No. 25)上发表的 “Wide-bandwidthcontinuously tunable optical delay line using silicon microring resonators，，中利用硅的热光效应，在波导上方制作金属热电阻，通过加电发热并通过传导热量来改变波导温度，从而调节波导有效折射率；这种结构折射率调节范围大，但由于导热速度慢，响应时间长,而且调节功耗较大。综合已报道的方法，利用载流子色散效应的电调节结构速度较快，但调节范围有限，同时会引入吸收损耗，该方法适用于调制器中，而对于需要调节范围较大的器件(如可调延时线等)通常采用金属热电阻的热光调节结构，该方法调节范围较大，但调节功耗大、速度慢。因此，提出一种调节范围较大、功耗较小，并且响应时间较短的热光调节结构十分重要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种硅波导折射率热光调节结构，通过加电使波导升温，利用热光效应调节波导有效折射率，从而实现集成光子器件的可调。为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下—种硅波导折射率热光调节结构，其点征在于，从下至上依次包括衬底、下包层、波导层、上包层和电极层；所述的波导层呈脊型，脊型中央区为轻掺杂的本征i区，两侧平板区分别为重掺杂区；所述的上包层两侧设有金属通孔，通过该通孔使波导层的重掺杂区与电极层相连。
所述的波导层的厚度小于liim，下包层的厚度大于Iii m，上包层的厚度为r2um,电极层厚度大于IOOnm ;波导层的材料为高折射率材料硅，下包层的材料为ニ氧化硅，上包层的材料为ニ氧化硅、氮化硅等低折射率材料，电极层的材料为铝、铜、金等高导电性金属材料。所述的波导层呈脊型，脊的宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件；脊型中央区即波导芯区为轻掺杂的本征i区，两侧平板区分别为重掺杂区，形成热光调节结构；掺杂类型是P型或者n型，形成p-1-p或n-1-n热电阻结构；轻掺杂浓度小于1017cm_3，重掺杂浓度大于IO18CnT3 ;重掺杂区与波导芯区边缘相隔距离大于0. 2 y m。所述的上包层通孔分别位于本征i区两侧，连接波导层两侧重掺杂区和电极层，通孔材料为铝、铜、金等高导电性金属材料，通孔宽度小于重掺杂区宽度。所述的电极层分别位于两侧通孔之上，与通孔内的金属连接并且与外部电源的正极和负极相连。外部电源通电后，电极通过通孔注入电流，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，波导折射率随着温度升高；重掺杂区的电阻率远低于本征i区，电势差主要集中在本征i区，所以热量主要产生于本征i区。本发明广泛适用于硅光子器件中有源调节部分，如可调光滤波器、光开光、光移相器、可调光延时线、光逻辑器件等的制作。本发明的有益效果是利用波导层自身作为电阻，通过外部电源通电后，热量直接产生于波导层，使得热源和光场直接作用，由于热光效应波导芯层的折射率随着温度的升高而升高，具有较大的调节范围。相对于传统热光调节结构，热量不需要从其他热源通过上包层传导到波导层，因此调节功耗更低，响应时间更短。
图1为本发明硅波导折射率热光调节结构的示意图。图2为传统金属热电阻硅波导折射率热光调节结构的示意图。图3为本发明硅波导折射率热光调节结构电流与电压关系图。图4为本发明硅波导折射率热光调节结构加电稳定后的温度分布图。图5为传统金属热电阻硅波导折射率热光调节结构加电稳定后的温度分布图。图6中(a)本发明新型硅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，(b)为传统金属热电阻硅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。图7为本发明硅波导折射率热光调节结构和传统金属热电阻硅波导折射率热光调节结构有效折射率调节时间响应图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。图1为本发明新型硅波导折射率热光调节结构的示意图，如图1所示，本发明包括一衬底 1，一下包层2，该下包层制作在衬底I上；下包层2的厚度大于I U m ;该下包层材料折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用。—波导层3，该波导层制作在下包层2上；波导层3的厚度小于I U m ;该波导层材料折射率高于下包层2和上包层；波导层3为脊型结构，其中脊型波导脊的宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件；脊型区即波导芯区为轻掺杂的本征i区6，两侧平板分别为重掺杂区7 ;重掺杂区可以是p型掺杂或n型掺杂，分别形成p-1-p或n-1-n热电阻结构；轻掺杂浓度小于1017cm_3，重掺杂浓度大于IO18CnT3 ;重掺杂区7边缘与波导芯区边缘相隔距离大于0. 2 u m。一上包层4，该上包层制作在波导层3上；上包层4的厚度大于0. 5 y m ;该上包层的材料可采用二氧化硅、氮化硅等介质材料，折射率低于波导层3，对波导层3中的光起限制作用，同时对波导起保护作用，并使之易于制作电极；上包层4中制作有通孔8 ;该通孔连接波导层两侧重掺杂区7和电极层；通孔8的材料为铝、铜、金等高导电性的金属材料；通孔8览度小于重惨杂区7的览度。—电极层5,该电极层制作在上包层4上；电极层5的厚度大于IOOnm ;电极层5分别位于两侧通孔8之上，与外部电源的正极和负极相连；电极层5的材料为铝、铜、金等高导电性的金属材料。使用时，电极层与外部电源连接，通电后通过通孔注入电流，其中电流与电压关系如图3所示。由图3发现，本发明的热电阻不同于一般的金属热电阻，电流不随电压线性变化；说明当电压增大到一定值后，本发明电阻值会变小。图4为本发明新型硅波导折射率热光调节结构加一定电压稳定后的温度分布图。由图中可以看到，由于热量主要产生于本征i区6，所以本征i区6的温度最高，可见热源可以和光场直接作用。图6(a)为本发明新型硅波导折射率热光调节结构中有效折射率随热功耗的关系图，可以看到两者呈线性关系，随着加热功耗增大，有效折射率也随之增大。本发明新型硅波导折射率热光调节结构有效折射率时间响应曲线如图7所示。实施例本实施例中下包层2厚度为2 u m ;波导层3脊的宽度为500nm，内脊高为220nm，外脊高为60nm ;上包层4厚度为1. 5 y m。重掺杂区7为p型掺杂，宽度为4 y m，掺杂浓度IO20Cm-3 ;轻掺杂本征i区6掺杂浓度IO15CnT3 ;重掺杂区7边缘与波导芯区边缘间隔300nm ；通孔宽度Ium;形成p-1-p热电阻结构。此p-1-p热电阻结构电压与电流关系如图3所示，电压增加到 9. 5V后，电阻随电压升高不断減少。当外加电压4V吋，稳定后此结构温度分布图如图4所示，热量主要产生于本征i区6，该区域温度最高，可见热源可以和光场直接作用。用传统金属热电阻硅波导折射率热光调节结构与本发明作对比，衬底层1、下包层
2、波导层3和上包层4尺寸參数与本发明一祥；波导层3没有进行掺杂；波导芯区正上方制作有金属热电阻，电阻宽度4 ym。该结构通过对金属热电阻加电产生热量，传导热量给波导芯区。金属热电阻加电稳定后，此传统金属热电阻硅波导折射率热光调节结构温度分布如图5所示，可以看到热源金属热电阻的温度最高，热量通过上包层传导到波导芯区。此p-1-p热电阻硅波导折射率热光调节结构和传统金属热电阻硅波导折射率热光调节结构有效折射率与功耗关系如图6(a)和6(b)所示；可以看到本发明的热电阻对硅波导有效折射率的调节效率为3. 25e-5m/W，大于传统的热电阻调节效率2. 87e-5m/W。因此本发明的热光调节结构功耗低于采用传统金属热电阻导热的结构。图7为此p-1-p热电阻结构和传统金属热电阻的热光调节结构时间响应图。我们定义上升时间为有效折射率上升10%到90%所需的时间，而下降时间为有效折射率下降10%到90%所需的时间。本发明结构上升时间为12. Oy S，而传统结构下降时间为13. s ;由于波导结构和尺寸都一祥，下降时间都为15. 5 ii S，因此，本发明的热光调节结构总的时间响应比传统的热电阻更快。通过比较，可以得出本发明新型硅波导折射率热光调节结构在调节功耗、调节时间响应方面都优于传统金属热电阻硅有效折射率热光调节结构。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
和实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权カ要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种硅波导折射率热光调节结构，其特征在于，从下至上依次包括衬底(I)、下包层(2)、波导层(3)、上包层(4)和电极层(5)；所述的波导层呈脊型，脊型中央区为轻掺杂的本征i区，两侧平板区分别为重掺杂区；所述的上包层两侧设有金属通孔，通过该通孔使波导层的重掺杂区与电极层相连。
2.根据权利要求1所述的硅波导折射率热光调节结构，其特征在于，所述波导层的材料为高折射率材料硅，下包层的材料为二氧化硅，上包层的材料为低折射率材料，电极层的材料为高导电性金属材料。
3.根据权利要求2所述的硅波导折射率热光调节结构，其特征在于，上包层的材料为二氧化硅或氮化硅，电极层的材料为铝、铜或金。
4.根据权利要求1所述的硅波导折射率热光调节结构，其特征在于，所述的波导层呈脊型，脊的宽度、内脊高度和外脊高度满足光单模传输条件，脊型中央区即波导芯区为轻掺杂的本征i区，两侧平板区分别为重掺杂区，形成热光调节结构。
5.根据权利要求3所述的硅波导折射率热光调节结构，其特征在于，所述重掺杂区的掺杂类型是P型或者η型，轻掺杂的本征i区的浓度小于IO17CnT3,重掺杂区的重掺杂浓度大于 1018cm 3O
6.根据权利要求1所述的硅波导折射率热光调节结构，其特征在于，所述的电极层是由位于上包层两侧通孔上的导电金属材料构成，电极层与外部电源的正极和负极相连。
全文摘要
本发明公开了一种硅波导折射率热光调节结构，从下至上依次包括衬底、下包层、波导层、上包层和电极层；所述的波导层呈脊型，脊型中央区为轻掺杂的本征i区，两侧平板区分别为重掺杂区；所述的上包层两侧设有金属通孔，通过该通孔使波导层的重掺杂区与电极层相连。在外部电源通电注入电流后，波导层产生热量，波导芯区温度升高，折射率升高，从而实现热光调节效果，本发明利用波导层作为热电阻产生热量，热源与光场直接作用，相对于传统采用金属电阻的热光调节结构，具有功耗更低、响应时间更短的特点。
文档编号G02F1/015GK103018929SQ201210517470
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者陆梁军, 周林杰, 谢静雅, 邹志, 孙晓萌, 李新碗, 陈建平 申请人:上海交通大学