CN116500722B - 一种低损耗快速切换pin电光相移结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗快速切换PIN电光相移结构，该结构为对浅刻蚀波导进行二次刻蚀而形成的阶梯状波导，其中所述阶梯状波导两侧的平板区域分别进行P型掺杂和N型掺杂。在浅刻蚀波导体系下，通过再次刻蚀降低脊形波导两侧平板波导的高度，减小光模场与掺杂区域的交叠面积，在确保低损耗的情况下，可有效提升PIN器件的切换速度。解决传统PIN器件低损耗与快速切换性能无法兼得的问题。同时通过合适的尺寸设计，这种结构所支持的基模有效折射率与浅刻蚀波导几乎没有差别，可以通过普通的宽度渐变波导低损耗相连。这种低损耗快速切换PIN器件可以广泛运用于光交换、光计算、光相控阵等大规模光电子集成器件。

Description

一种低损耗快速切换PIN电光相移结构

技术领域

本发明属于硅基光电子集成领域，尤其涉及一种低损耗快速切换PIN电光相移结构。

背景技术

随着硅基集成光电子器件技术的发展，片上集成光电子系统正向着大规模、高集成度、低损耗、高速的方向发展，如大规模集成光开关阵列、集成光子计算系统、大规模集成光相控阵系统。硅基集成光波导器件以其对光模场较高的束缚能力，可以实现高集成度的光电子链路，但是也会引入较大光能量传输损耗。为降低片上集成光波导的传输损耗，同时兼顾对光模场的束缚性能，通常使用浅刻蚀波导。同时为降低器件之间的连接损耗，其他片上集成器件也是用同样刻蚀深度的浅刻蚀波导，形成浅刻蚀波导体系。浅刻蚀波导通常是将波导芯层材料刻蚀一个相比于芯层材料整体厚度较小的深度（图 1 中的 h 值）。随着刻蚀深度变大，被光波导束缚的光模场面积逐渐减小，如图 2 所示。

在硅基集成光电子系统中，除无源光波导器件之外，还有大量的有源器件。这些有源器件通常以 PN 结、PIN 结、电容结以及热电极的方式对波导中光模场的有效折射率进行调控。PIN 结型电光器件（以下称 PIN 器件）以其高效的有效折射率调控能力和较低的损耗，得到了广泛的运用。PIN 器件通常通过在两侧平板区掺杂 P 型及 N 型杂质构建。其对光模场有效折射率的调控通过载流子的扩散进入波导核心区，以及从波导核心区抽取载流子两个物理过程实现。这两个过程需要耗费的时间成为其上升和下降时间（统称为切换时间）。切换时间的快慢直接影响到以此器件构建的系统的性能及运用范围，如光交换系统中光链路建立时间、光相控阵系统中信号扫描速度、光计算系统中数据处理速度。PIN 器件的切换时间主要受到掺杂区距离波导的影响，掺杂区到波导的距离越近，切换时间越快，反之越慢。对于浅刻蚀脊形波导，其光模场分布范围较广（图 3 中的闭合曲线），与两侧掺杂区域的交叠面积较大，掺杂离子对于光能量有吸收作用，是 PIN 器件损耗的主要来源，因而掺杂引入的损耗也较大，如图 3 所示。

为降低硅基光子集成系统的片上损耗，通常片上集成器件仅使用一种刻蚀深度，或是确保不同刻蚀深度器件之间有较低的连接损耗，但这往往很难实现。在浅刻蚀片上波导体系下，为降低器件损耗，PIN 器件的掺杂区域需远离波导核心区域，减小掺杂区与光模场的交叠面积，进而降低离子吸收损耗。这必然增加了切换时间，使得 PIN 器件无法同时获得低损耗及高速切换性能，限制了 PIN 器件的应用范围。

发明内容

本申请实施例的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种低损耗快速切换PIN电光相移结构。

本申请实施例提供一种低损耗快速切换PIN电光相移结构，该结构为对浅刻蚀波导进行二次刻蚀而形成的阶梯状波导，其中所述阶梯状波导两侧的平板区域分别进行P 型掺杂和 N 型掺杂。

进一步地，所述浅刻蚀波导由对波导进行预定刻蚀深度的刻蚀得到，其中所述预定刻蚀深度小于所述波导的总厚度的一半。

进一步地，该结构的设计方法为：

S1：确定所述浅刻蚀波导中光模场的边界；

S2：根据所述光模场的边界确定二次刻蚀的位置；

S3：基于已确定的二次刻蚀的位置，对所述光模场两侧的平板区域进行二次刻蚀，并保留预定厚度用于离子掺杂；

S4：刻蚀结束后，在波导两侧平板区域分别进行P 型掺杂和 N 型掺杂。

进一步地，所述光模场的边界为所述光模场中电场分量的幅值下降到最大值 1/e处。

进一步地，所述预定厚度大于等于50nm。

进一步地，步骤S3中，对所述光模场两侧的平板区域进行二次刻蚀前，通过仿真确定二次刻蚀的深度和宽度。

进一步地，使用仿真软件计算二次刻蚀之后波导所支持的光模场形貌和光模式有效折射率，通过微调二次刻蚀的宽度以及深度，使得二次刻蚀之后波导在满足束缚光模场的前提下光模式有效折射率以及传输损耗改变最小。

本申请还提供一种马赫曾德尔干涉仪，由上述的低损耗快速切换PIN电光相移结构构建得到。

本申请还提供一种硅基光电子片上集成系统，以上述的马赫曾德尔干涉仪作为单元器件构建得到。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请提出在浅刻蚀波导体系下，通过再次刻蚀降低脊形波导两侧平板波导的高度，减小光模场与掺杂区域的交叠面积，在确保低损耗的情况下，可有效提升 PIN 器件的切换速度。解决传统 PIN 器件低损耗与快速切换性能无法兼得的问题。同时通过合适的尺寸设计，这种结构所支持的基模有效折射率与浅刻蚀波导几乎没有差别，可以通过普通的宽度渐变波导低损耗相连。这种低损耗快速切换 PIN 器件可以广泛运用于光交换、光计算、光相控阵等大规模光电子集成器件。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是背景技术中的浅刻蚀波导示意图。

图2是背景技术中的浅刻蚀波导的刻蚀深度与光模场面积的关系图。

图3是背景技术中的PIN 器件（浅刻蚀脊形波导）的光模场分布示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的两次刻蚀的PIN 器件（脊形波导）的光模场分布示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的两次刻蚀PIN 器件（脊形波导）形成的阶梯状波导的示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的根据光模场的边界进行两次刻蚀形成阶梯状波导的示意图，图6中的（a）为确定光模场的边界的示意图，图6中的（b）为根据光模场的边界进行两次刻蚀形成的阶梯状波导示意图，图6中的（c）为对形成的阶梯状波导进行离子注入形成的PIN器件的示意图。

图7为实施例1中浅刻蚀波导的光模场分布图。

图8为实施例1中两次刻蚀形成的阶梯状波导的光模场分布图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本申请实施例提供一种低损耗快速切换PIN电光相移结构，该结构为对浅刻蚀波导进行若干次不同深度的刻蚀而形成的阶梯状波导，其中所述阶梯状波导两侧的平板区域分别进行P 型掺杂和 N 型掺杂。

具体地，所述浅刻蚀波导为通过刻蚀深度小于波导总厚度的一半刻蚀形成的波导结构，且这种结构足够束缚光能量，而在波导结构中形成稳定的光模场。

通过合适的尺寸设计，在降低脊形波导两侧高度的同时，使得其与相匹配的浅刻蚀波导的基模折射率相差不大。随着脊形波导两侧平板区域高度降低，波导中的光模场与掺杂区域的交叠面积迅速下降，使得掺杂区域可以更加接近波导区域，并不会引入明显损耗（如图 4，图中仅说明了两次刻蚀的情况）。

具体结构为，在浅刻蚀波导的基础上，通过增加一次不同深度的刻蚀（图 5 中说明了两次刻蚀的情况，刻蚀深度为 h1、h2）使其形成阶梯状波导，不同刻蚀深度下的波导宽度为 w1、w2（图 5）。这种阶梯状波导使得脊形波导两侧平板区高度降低，同时确保原有浅刻蚀波导的基模有效射这率实部不发生明显变化。同时后续刻蚀不会引起模式有效折射率虚部的变化。

在具体实施中，该结构的设计方法为：

S1：确定所述浅刻蚀波导中光模场的边界；

具体地，光信号被波导结构限制形成稳定传输的光模场，基模光场中心能量最强，同时也是光场中电场分量E所在位置。电场分量 E 的幅值由中心向四周逐渐下降，呈现高斯型分布，如图6中的（a）所示，通常以电场强度下降到最大值 1/e 处为光模场的边界位置（在具体实施中，也可以根据实际器件设计需要设定不同的光模场边界评判标准，例如以电场在三维空间中某个方向的强度分量下降到一定数值为判断标准，以磁场或是磁场在三维空间中某个方向的强度分量下降到一定数值为判断标准等）。

S2：根据所述光模场的边界确定二次刻蚀的位置；

具体地，通常将二次刻蚀的位置设定为恰好包含所述光模场的边界，以保证二次刻蚀之后形成的波导结构可以束缚光模场。

S3：基于已确定二次刻蚀的位置，对所述光模场两侧的平板区域进行二次刻蚀，并保留预定厚度（所述预定厚度根据经验设置，一般≥50nm）用于离子掺杂；

具体地，光模场的边界作为第二次刻蚀波导宽度设计的重要依据，第二次刻蚀的深度和波导宽度需要进行优化设计，可以使用仿真软件计算第二次刻蚀之后波导结构所支持的光模场形貌和模式的有效折射率，通过微调第二次刻蚀宽度以及刻蚀深度，如在一定变化范围内扫描两个参量，获得模式有效折射率的变化规律。选择合适的参量，使得形成的新的波导结构可以在几乎不改变光模式有效折射率以及传输损耗的情况下，束缚光模场，如图6中的（b）。

S4：刻蚀结束后，在波导两侧平板区域分别进行P 型掺杂和 N 型掺杂；

具体地，完成结构刻蚀的波导两侧平板区域进行 P 型和 N 型掺杂，相比于普通的浅刻蚀掺杂（图3），多次刻蚀结构的掺杂区域向下偏移，可以更加靠近模式分布区域。同时掺杂区域的厚度变薄，电阻增大，进而使得器件在固定电压下的工作电流较小，功耗也更小。

实施例

以常用 SOI 结构多次刻蚀波导为例。SOI 结构中顶硅厚度为 220nm，埋氧层厚度为 3 μm，顶硅上覆盖 2μm 以上氧化硅材料。浅刻蚀波导的刻蚀深度 h 设置为 70nm，w 设置为 700nm（具体形貌如图 1 所示），此时波导损耗较小，且能维持 TE0 模式传播。这种尺寸下，其基模 TE0 模式的光模场分布如图 7 所示，模式有效折射率为 2.91。

波导两侧 P 型及 N 型掺杂区域边缘距离波导边缘为 400 nm，由这种结构构建的 200μm 臂长 MZI 器件的切换时间约为 3.5 ns，器件损耗约为 2 dB。如果两侧 P 型及N 型掺杂区域边缘距离波导边缘为 200 nm，MZI 器件的切换时间约为 1.5 ns，器件损耗约为 4.5 dB。

在上述结构的基础之上，增加一次刻蚀。其中 w1、h1 保持原有尺寸，分别为700nm 和 70nm。增加一次刻蚀，深度 h2、宽度 w2 分别为 130nm 和 1μm。这种结构的基模TE0 模式的光模场分布为图 8，有效折射率为 2.913。

两种结构的波导所支持的基模有效折射率几乎没有区别，可以通过普通的波导变换结构将两种波导连接在一起，而不会产生由折射率突变激发高阶模式而带来的损耗。

这种结构下两侧 P 型及 N 型掺杂区域边缘到波导边缘的距离设置为 200 nm，此时 MZI 器件的切换时间可以维持在 1.5 ns，同时器件损耗降低到 2 dB 左右。

两侧刻蚀的波导结构有效降低了光模场与掺杂区域的交叠面积，使得这种结构下掺杂区域可以更加靠近波导核心区域，获得更快的切换时间。即实现在保持光能量低损耗传输的前提下，有效提升 PIN 器件的切换时间。

本申请所提供的一种低损耗快速切换PIN电光相移结构可用于光电子集成器件，既可以单独作为低损耗快速相移器件使用，也可以构建MZI（Mach-Zehnderinterferometer，马赫曾德尔干涉仪）。其中MZI可以作为单元器件，广泛用于构建大规模片上集成激光雷达系统、集成光量子系统、集成光计算系统、集成光开关系统等需要快速切换，同时对于系统整体损耗有要求的硅基光电子集成系统。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种低损耗快速切换PIN电光相移结构，其特征在于，该结构为对浅刻蚀波导进行二次刻蚀而形成的阶梯状波导，其中所述阶梯状波导两侧的平板区域分别进行P 型掺杂和 N型掺杂；

其中，该结构的设计方法为：

S1：确定所述浅刻蚀波导中光模场的边界；

S2：根据所述光模场的边界确定二次刻蚀的位置；

S3：基于已确定的二次刻蚀的位置，对所述光模场两侧的平板区域进行二次刻蚀，并保留预定厚度用于离子掺杂；

S4：刻蚀结束后，在波导两侧平板区域分别进行P 型掺杂和 N 型掺杂。

2.根据权利要求1所述的低损耗快速切换PIN电光相移结构，其特征在于，所述浅刻蚀波导由对波导进行预定刻蚀深度的刻蚀得到，其中所述预定刻蚀深度小于所述波导的总厚度的一半。

3.根据权利要求1所述的低损耗快速切换PIN电光相移结构，其特征在于，所述光模场的边界为所述光模场中电场分量的幅值下降到最大值 1/e 处。

4.根据权利要求1所述的低损耗快速切换PIN电光相移结构，其特征在于，所述预定厚度大于等于50nm。

5.根据权利要求1所述的低损耗快速切换PIN电光相移结构，其特征在于，步骤S3中，对所述光模场两侧的平板区域进行二次刻蚀前，通过仿真确定二次刻蚀的深度和宽度。

6.根据权利要求5所述的低损耗快速切换PIN电光相移结构，其特征在于，使用仿真软件计算二次刻蚀之后波导所支持的光模场形貌和光模式有效折射率，通过微调二次刻蚀的宽度以及深度，使得二次刻蚀之后波导在满足束缚光模场的前提下光模式有效折射率以及传输损耗改变最小。

7.一种马赫曾德尔干涉仪，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的低损耗快速切换PIN电光相移结构构建得到。

8.一种硅基光电子片上集成系统，其特征在于，以权利要求7所述的马赫曾德尔干涉仪作为单元器件构建得到。