一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导

本发明涉及光电子器件，尤其涉及一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导。

背景技术：

1、近年来，在硅基光电子技术的推动下，在芯片尺度上实现“光电协同”已成为“后摩尔时代”芯片的发展趋势。作为连接电信息处理和光信号传输中极其重要的组件之一，电光调制器在光模块中起着至关重要的作用。为了提高现有数据通信网络的性能，需要实现大带宽，小尺寸，低能耗的电光调制器。电光调制器的性能取决于工作材料和传播光波模式之间的相互作用的强弱。根据实现电光调制的平台分为铌酸锂调制器，硅基调制器，磷化铟调制器，有机聚合物调制器等等。现有电光调制器在带宽，尺寸和功耗方面以逼近其物理瓶颈。由于这些瓶颈主要由材料和器件的物理特性和机制决定，要实现跨越式的发展，需要打破现有电光调制器的单一材料体系和器件机理，因此，基于新型电光材料和导波机制的异质集成电光调制器仍有巨大的研究潜力。

2、大多数硅基电光调制器基于等离子体色散效应。然而，硅等离子体的弱色散效应使得传统的马赫-曾德尔调制器的长度通常为毫米量级，并且需要几伏的偏置电压。同时，器件的光带宽不仅受到电光信号速度不匹配的限制，还受到自由载流子动力学的限制。基于谐振器的硅调制器具有更紧凑的尺寸和更低的功耗。然而，通常需要额外使用加热器的电子反馈控制来保持工作波长的稳定性。为了提高调制效率和调制速度，其他具有电光效应的材料得到了研究和应用。铌酸锂电光调制器具有损耗低、波长工作光带宽高、稳定性好等特点，广泛应用于超长链路通信。由于具有更大的电光系数，电光聚合物在制备小尺寸、低功率电光调制器方面具有巨大的潜力不仅如此，eo聚合物的相位响应时间只有30飞秒，有许多报道称带宽超过60ghz。目前，针对电光聚合物的选择、工艺生产、极化、以及如何将硅和电光有机聚合物异质集成以发挥各自的优势进行了各项研究。

3、在传统的硅-有机聚合物异质集成器件中，大部分光场束缚于具有高折射率的硅中，只有一小部分光在包层聚合物中，导致实际电光效应非常低，因此器件的尺寸仍在毫米范围内。狭缝波导通常用于改善这种现象，因为狭缝内电光聚合物的折射率小于硅，其内的光学模式得到增强。然而，由于狭缝的宽度小，电光聚合物的极化效率难以达到理想水平，导致器件的实际电光系数仍然较低。除了使用狭缝波导外，还可以降低光场的传播速度，以增加光与电光聚合物之间的相互作用时间。光子晶体波导，例如二维光子晶体波导、一维光子晶体波导，利用慢光效应来增强光与物质之间的相互作用。在现有工艺条件下，二维光子晶体的制造鲁棒性很差。文献指出，即使空穴半径的波动只有1％，也会导致150db/cm的光损耗。与二维光子晶体相比，一维光子晶体对制造错误具有更强的容忍度，并且经常使用cmos兼容的制造工艺。在一维光子晶体中需要解决以下两个问题：高阶色散和延迟带宽积。高阶色散可以通过使用两个具有相反色散特性的光子晶体波导来降低，也可以通过使用零色散慢光器件来抑制信号失真。延迟带宽积意味着光的群速度需要与光带宽相平衡，可以采用耦合谐振器的方法提高光带宽，使得波导对温度的敏感性较低，工作温度范围更宽。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导，至少部分解决现有技术中存在的问题。

2、本发明实施例提供了一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导，包括：

3、单晶硅层，所述单晶硅层构成了狭缝波导的本体；

4、狭缝，所述狭缝设置在所述单晶硅层上；

5、缺陷部，所述缺陷部周期性的设置在一维光子晶体狭缝波导中，所述缺陷部构成了一维光子晶体级联狭缝波导的谐振腔，进而形成一维光子晶体级联狭缝波导的级联谐振单元。

6、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述狭缝中填充有电光有机聚合物。

7、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述狭缝波导包括脊波导，所述脊波导的高度为220nm。

8、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述缺陷部通过均匀引入π相移而形成。

9、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述狭缝波导包括硅导轨和硅齿。

10、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述谐振单元的占空比为50％。

11、根据本公开实施例的一种具体实现方式，每个谐振单元由周期数2nop和π相移的一维光子晶体狭缝波导组成，缺陷长度为半周期。

12、根据本公开实施例的一种具体实现方式，针对波导光学结构对调制性能的影响，评价因子定义为：

13、

14、狭缝波导结构中有效折射率的变化表示为：

15、

16、其中，vπ表示相移电压，l表示调制器长度，λ表示预设参数，ws表示狭缝的宽度，r33为电光聚合物的电光系数，neo是无电光效应的电光聚合物的有效指数，u是施加在狭缝两侧的偏置电压。γslot,y是te0模式的场相互作用因子。

17、根据本公开实施例的一种具体实现方式，γslot,y通过公式(3)计算:

18、

19、

20、

21、ε是材料与积分区对应的相对介电常数，ng是模态的群折射率，γocf是狭缝区域中的光场能量约束因子，gn是时间因子。

22、根据本公开实施例的一种具体实现方式，光带宽与群折射率之间的权衡光系，用时延-带宽积来描述：

23、

24、

25、其中，δt＝ngl/c表示为光传输长度l后的延迟，f＝w/2π，δf是以f带宽为中心的带宽，δneff是归一化带宽δf/f对应的折射率变化。

26、本发明实施例中提供的一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导，包括：单晶硅层，所述单晶硅层构成了狭缝波导的本体；狭缝，所述狭缝设置在所述单晶硅层上；缺陷部，所述缺陷部周期性的设置在一维光子晶体狭缝波导中，所述缺陷部构成了一维光子晶体级联狭缝波导的谐振腔，进而形成一维光子晶体级联狭缝波导的级联谐振单元。本方案的一维光子晶体级联狭缝波导具有优于二维光子晶体结构的光带宽，并具有更低的传输损耗和更好的加工鲁棒性。

技术特征：

1.一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

3.如权利要求1所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

4.如权利要求1-3任一项所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

5.如权利要求1-3任一项所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

6.如权利要求1-3任一项所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

7.如权利要求1-3任一项所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

8.如权利要求1-3任一项所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

9.如权利要求8所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

10.如权利要求9所述的非线性狭缝波导，其特征在于：

技术总结
本发明实施例中提供了一种用于硅异质集成的一维光子晶体级联狭缝波导，属于光电子器件技术领域，该狭缝波导包括：单晶硅层，所述单晶硅层构成了狭缝波导的本体；狭缝，所述狭缝设置在所述单晶硅层上；缺陷部，所述缺陷部周期性的设置在一维光子晶体狭缝波导中，所述缺陷部构成了一维光子晶体级联狭缝波导的谐振腔，进而形成一维光子晶体级联狭缝波导的级联谐振单元。本方案的一维光子晶体级联狭缝波导具有优于二维光子晶体结构的光带宽，并具有更低的传输损耗和更好的加工鲁棒性。

技术研发人员：徐小川,颜利康,李艳梅,王金钊,冯玚,丁卢炜,姚勇,段嘉楠,何枫,张明宇
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15