專利名稱：硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域的集成器件，特別是一種硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線。
背景技術(shù)：
可調(diào)光延遲線是光通信網(wǎng)絡、全光信息處理中的重要器件。在光通信網(wǎng)絡中，尤其是在光分組交換網(wǎng)中，可調(diào)光延遲線能夠按系統(tǒng)的需求提供一定的延遲時間來進行包頭處理和解決不同用戶競爭同一信道的網(wǎng)絡沖突問題，從而提高網(wǎng)絡節(jié)點的吞吐量，降低丟包率；在光信號處理方面，可調(diào)光延遲線可以增強主機的通信能力，增加整個系統(tǒng)的性能以及實現(xiàn)高效可重構(gòu)光學信號處理等。傳統(tǒng)的實現(xiàn)可調(diào)光延遲線的方法是采用啁啾光纖光柵，通過改變載波光源的波長來改變光信號反射的位置，從而實現(xiàn)對光信號的可調(diào)延遲，這種方案需要同步可調(diào)的激光源和可調(diào)的濾波器，系統(tǒng)比較復雜。用啁啾光纖光柵對特定波長·實現(xiàn)光可調(diào)延遲線，可以采用調(diào)節(jié)溫度、應力以及磁場等來改變光纖光柵的折射率，同樣使得特定波長的光信號的反射位置的不同來實現(xiàn)可調(diào)延遲。這兩種啁啾光纖光柵實現(xiàn)可調(diào)光延遲線的方案都有所需器件體積大、反應慢、時間分辨率差等缺點。近年來，隨著光電子技術(shù)和半導體加工工藝的不斷發(fā)展，硅基光子學的研究在國內(nèi)外取得引人注目的成就。在硅基上實現(xiàn)可調(diào)光延遲線的方案也有很多種，主要包括全通濾波器(APF)、光波導耦合諧振腔(CROW)以及光子晶體光波導(PhCW)等。全通濾波器(APF)和光波導耦合諧振腔(CROW)方案在實現(xiàn)大的可調(diào)延遲時需要的面積較大，并且損耗較大；光子晶體光波導(PhCW)雖然需要面積不大，但對加工工藝要求極高，損耗大。因此，利用集成的布拉格光柵在硅基上實現(xiàn)損耗低、體積小、高帶寬以及調(diào)節(jié)速度快的可調(diào)延遲線成了最近兩年人們研究的重點。經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Ivano Giuntoni等人 2009 年在 OPTICSEXPRESS(Vol. 17，No. 21)上發(fā)表的論文 “Tunable Bragg reflectorson silicon-on-insulator rib waveguides”中提出在娃基上通過改變光柵的周期來實現(xiàn)啁啾光柵，通過熱光效應改變硅的折射率，從而使得特定波長的光信號反射位置的變化實現(xiàn)可調(diào)光延時。2012年，該小組在0PTICSLETTERS(Vol.20，No. 10)上發(fā)表的論文“Continuously tunable delay line based on SOI tapered Bragg gratings，，中提出通過在固定的光柵周期中，改變波導寬度來改變波導的有效折射率實現(xiàn)啁啾光柵，利用熱光效應實現(xiàn)了固定波長光信號延遲量可調(diào)，完成了 25Gb/s的光信號450ps的最大延遲量。綜合已報道的方法，在硅基上用光柵來實現(xiàn)可調(diào)光延遲，主要是通過精確改變光柵的周期或者波導寬度來實現(xiàn)啁啾光柵。這樣對加工工藝的要求很高，因此成本也較高。另外，目前都只是通過熱光效應的方法來實現(xiàn)延遲的可調(diào)，調(diào)節(jié)速率較慢。因此，本發(fā)明提出通過設計p-i-n或者p-i-p結(jié)構(gòu)來動態(tài)調(diào)節(jié)光柵啁啾量以實現(xiàn)光延遲的方案，結(jié)構(gòu)簡單，可應用熱光效應或者等離子色散效應來進行延遲的調(diào)節(jié)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，通過設計P-i-n或者p-i-p結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)光柵啁啾調(diào)節(jié)，以獲得可調(diào)光延遲的方案。該方案通過設計一個本征區(qū)(i區(qū))寬度線性變化的p-i-n或者p-i-p結(jié)，將光柵嵌入到結(jié)的本征i區(qū)，利用相同電壓下不同本征區(qū)寬度的硅波導的載流子濃度或電阻值不同的性質(zhì)來實現(xiàn)啁啾光柵，從而通過改變電壓的大小實現(xiàn)光延遲的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特點在于，構(gòu)成包括在絕緣體上硅基底上兩個重摻雜區(qū)域及該兩個重摻雜區(qū)域之間的本征區(qū)的光波導變跡光柵，所述的兩個重摻雜區(qū)域為P型和η型重摻雜區(qū)域或P型和P型重摻雜區(qū)域，形成p-i-n結(jié)或p-i-p結(jié)構(gòu)形式，所述的光波導變跡光柵是由高折射率差的硅基材料構(gòu)成，中間為常規(guī)硅波導，旁邊為硅鋸齒和空氣縫相間形成的光柵，在所述的P型重摻雜區(qū)域和η型重摻雜區(qū)上淀積金屬電極，用來和外部電路相連以加載電壓。 所述光波導變跡光柵的上包層為氧化硅。所述的光波導變跡光柵，其硅鋸齒的寬度從中間向波導兩端遞減，中間常規(guī)硅波導的寬度從中間向波導兩端遞增，在兩端和常規(guī)硅波導平滑相連，避免光柵與常規(guī)波導耦合時由于突變引起的強反射。所述的SOI光波導光柵，其硅鋸齒和中間常規(guī)波導的寬度相互匹配，使得光柵每個周期的中心波長為一個定值，以獲得最大的反射效率。所述的p-i-n結(jié)構(gòu)形式所述的變跡光柵完全處于本征i區(qū)，P型和η型重摻雜區(qū)分別處于本征i區(qū)的兩側(cè)，中間本征i區(qū)的寬度沿光柵縱向線性變化，不同寬度的本征區(qū)，在相同的電壓下，載流子注入的濃度不同，由等離子色散效應導致硅的折射率不同，形成啁啾光柵；所述的p-i-p結(jié)構(gòu)形式變跡光柵完全處于本征i區(qū)，兩個P型重摻雜區(qū)分別處于本征區(qū)的兩側(cè)，中間本征區(qū)的寬度同樣沿光柵縱向線性變化，不同寬度的本征區(qū)，電阻值不同，在相同的電壓下，溫度升高不同，由熱光效應導致硅的折射率不同，形成啁啾光柵。所述的P型或η型重摻雜區(qū)域的摻雜濃度在1018-1021/cm3之間，以形成良好的歐姆接觸。所述的P型或η型重摻雜區(qū)域離光柵的寬度在幾百納米到幾微米之間。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于啁啾光柵的形成不是依靠精確地改變光柵的周期或者光柵波導的寬度形成，而是通過將非啁啾光柵嵌入到一個本征區(qū)寬度線性變化的P-i-n或者p-i-p結(jié)中，加電壓后通過等離子體色散效應或者熱光效應動態(tài)形成啁啾，因此對工藝要求降低，調(diào)節(jié)迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)可調(diào)集成光延遲線。


圖I為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為p-i-n的結(jié)構(gòu)示意圖，圖(b)為p-i-p的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線光柵波導寬度變化圖。圖3為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線在沒有加電壓時的反射強度譜線和延遲譜線，其中圖(a)為反射強度譜線，圖(b)為延遲譜線。
圖4為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-n結(jié)構(gòu)時不同電壓下載流子濃度沿光柵縱向的分布圖。圖5為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-n結(jié)構(gòu)時不同電壓下的反射強度譜線和延遲譜線，其中圖(a)為反射強度譜線，圖(b)為延遲譜線。圖6為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-p結(jié)構(gòu)時不同電壓下折射率變化沿光柵縱向的分布圖。圖7為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-p結(jié)構(gòu)時不同電壓下的反射強度譜線和延遲譜線，其中圖(a)為反射強度譜線，圖(b)為延遲譜線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。一種硅基集成的可調(diào)延遲線，主要包括基于絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator, SOI)光波導的變跡光柵、p型和η型重摻雜區(qū)或者ρ型和ρ型重摻雜區(qū)以及電極。其特征在于基于SOI光波導的變跡光柵嵌入p-i-n或者p-i-p的本征i區(qū)，該本征i區(qū)的寬度沿光柵縱向線性變化，P型和η型重摻雜區(qū)域與外部電路相連。當采用P-i-n結(jié)構(gòu)時，電極兩端加上正向電壓，載流子注入到本征i區(qū)，本征區(qū)的載流子濃度改變，由于等離子色散效應改變了光柵中硅波導的折射率，引起反射光波長的漂移；當采用的是p-i-p結(jié)構(gòu)時，本征i區(qū)相當于一個電阻，當在p-i-p結(jié)上加上一定電壓后，電阻產(chǎn)生熱量，本征區(qū)的溫度就會升高，由于熱光效應，光柵波導的折射率也會改變。光柵縱向不同位 置處的本征區(qū)寬度不同，本征區(qū)的電阻和載流子濃度改變也就不同，在相同的電壓下，光柵硅波導的折射率在縱向呈遞減或遞增分布，變化幅度取決于外加電壓。這樣，原非啁啾光柵可動態(tài)調(diào)節(jié)為啁啾光柵，特定波長的光信號的延遲量由電壓靈活調(diào)節(jié)。所述的變跡光柵是由高折射率差的硅基材料構(gòu)成，中間為常規(guī)硅波導，旁邊采用娃鋸齒和空氣縫隙相間的方式來形成光柵，上包層為氧化娃O本發(fā)明設計的光柵結(jié)構(gòu),其娃鋸齒的寬度從中間向兩端逐漸變窄，而中間常規(guī)硅波導的寬度從中間向兩端則逐漸變寬，在兩端和常規(guī)硅波導平滑相連。鋸齒和波導的寬度需要互相匹配使得光柵每個周期的中心波長保持為一個定值以獲得最大的反射效率。變跡光柵所處的區(qū)域為硅的本征區(qū)域，沒有摻雜，避免了載流子吸收引起的損耗。所述的ρ型和η型重摻雜區(qū)在硅基上可通過離子注入或擴散形成，為了減小與金屬相連時的接觸電阻，摻雜濃度在IO18-IO2Vcm3之間。P型和η型重摻雜區(qū)(或者ρ型和ρ型重摻雜區(qū))以及中間光柵所處的本征區(qū)形成P-i-n (或者p-i-p)結(jié)；p-i-n (或者p-i-p)結(jié)中的本征區(qū)域的寬度沿光柵縱向呈線性變化，均要寬于變跡光柵的寬度，變跡光柵完全嵌入到本征區(qū)域內(nèi)。所述的金屬電極設置在P型和η型重摻雜區(qū)域上，用來加載正負電壓。本發(fā)明提出了一種硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線。圖I為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1(a)所示，本發(fā)明主要由基于SOI光波導的變跡光柵、P型和η型重摻雜區(qū)域以及電極等組成。變跡光柵處于p-i-n結(jié)或者p-i-p結(jié)的本征i區(qū)，兩邊重參雜區(qū)域濃度為2X 1019/cm3，電極分別設計在ρ型和η型重摻雜區(qū)的上方。由于本設計發(fā)明的可調(diào)光延遲線要與普通的光波導器件相連，為了避免光柵兩端由于突變引起的強反射，因此本發(fā)明設計中的光柵結(jié)構(gòu)采用逐漸變化的方式，其中硅鋸齒的寬度從中間沿光柵縱向兩端逐漸變窄，中間常規(guī)硅波導寬度從中間向兩端逐漸變寬至與之相連的波導寬度。通過設計鋸齒和波導寬度使得光柵中每個周期的中心波長保持為一個定值。在本實施例中，光柵的周期為563nm,光柵鋸齒的寬度如圖2所示,其中虛線為娃鋸齒處波導寬度的分布，實線為空氣縫隙處波導寬度的分布，本征區(qū)寬度呈線性變化，開始端為2 μ m，末端為5μπι，光柵的總長度為I. 46cm。圖I (b)為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-p結(jié)構(gòu)時的示意圖，除了本征區(qū)兩端均為P型摻雜以外，其他的各個參數(shù)均與圖I (a)相同。圖3所示為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線在沒有加電壓時的反射強度譜線和延遲譜線。從圖3(a)可以看出，通過對光柵鋸齒和縫隙寬度的設計，光柵的反射譜線旁瓣明顯被抑制，在光通信常用載波波長1550nm處的延遲為45ps。圖4所示為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用P-i-n結(jié)構(gòu)時不同電壓下載流子濃度沿光柵縱向的分布圖。本實施例使用商用軟件Silvaco來仿真某一電壓下的載流子濃度在光柵縱向的分布。由于本發(fā)明采用的光柵長度很長(厘米量級)，因此縱向上的變化很緩慢，可以采用二維截面仿真來代替三維仿真。從圖4可以看出，相同電壓下，不同本征區(qū)寬度對應的載流 子濃度并不相同，光柵波導的折射率在縱向上形成梯度，從而實現(xiàn)了啁啾光柵。圖5為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用P-i-n結(jié)構(gòu)時不同電壓下的反射強度譜線和延遲譜線。從圖中可以看出，電壓越大，載流子注入就越多，由于等離子色散效應，折射率下降就越大，導致反射譜線和延遲譜線都發(fā)生藍移(即譜線向短波長移動)，從而使得特定波長的光信號的延遲量發(fā)生了改變。本實施例中，假設光載波波長為1550nm，對應光信號的可調(diào)延遲量約為150ps。隨著注入載流子濃度的增加，載流子吸收損耗增大。在本實施例中，實現(xiàn)150ps延遲的同時損耗也加大了 12dB。從圖5還可以看出，采用這種結(jié)構(gòu)的延遲量可以繼續(xù)增加，不過損耗也會進一步加大。圖6所示為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-p結(jié)構(gòu)時不同電壓下折射率變化沿光柵縱向的分布圖。本實施例中采用商用軟件Comsol對光柵波導在某一電壓下的溫度變化進行仿真。從圖6可以看出，不同電壓下，光柵不同位置溫度升高并不相同，熱光效應導致折射率變化呈梯度分布，實現(xiàn)啁啾光柵。圖7為本發(fā)明硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線采用p-i-p結(jié)構(gòu)時不同電壓下的反射強度譜線和延遲譜線。采用這種結(jié)構(gòu)，增大電壓時，產(chǎn)生熱量增加，溫度升高，硅的折射率升高，導致反射譜線和延遲譜線都發(fā)生紅移(即譜線向長波長移動)，從而使得特定波長的光信號延遲量發(fā)生改變。本實施例中，假設光載波波長為1550nm，從圖6和圖7可以看出，當光柵前端的折射率增加O. 0015，反射譜線紅移O. 2nm，假設光載波波長為1550nm，對應的光信號延遲將達到230ps，損耗為6dB,遠小于p-i-n電調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)時的損耗。當光柵前端的折射率增加小于O. 0013時，額外的損耗基本上為0，延遲量可達到約210ps。實施例本實施例中，采用p-i-p的電調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。光載波波長為1550nm，P型重摻雜區(qū)摻雜濃度為2 X IO1Vcm3，光柵波導的寬度取值如圖2所示，本征區(qū)寬度呈線性變化，開始端為2 μ m,末端為5 μ m,光柵總長度為I. 46cm。光柵不同位置處對應的電阻值不同，同一電壓下溫度升高不同寬度越小，電阻值越小，溫度升高越多，折射率增加越大，如圖6所示。折射率增加將導致譜線的紅移，如圖7所示，當光柵前端的折射率增加O. 0015時，反射譜線紅移了 O. 2nm，對應的光信號延遲量為230ps，損耗為6dB。從圖7也可以看出，當電壓改變使得光柵前端折射率增加小于O. 0013時，損耗基本為0，延遲量最高可達210ps.通過上述步驟，本發(fā)明專利啁啾光柵可調(diào)光延遲集成器件可以實現(xiàn)光延遲的動態(tài)可調(diào)，優(yōu)勢在于加工相對容易，調(diào)節(jié)迅速?！?br> 權(quán)利要求
1.一種硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，構(gòu)成包括在絕緣體上硅基底上兩個重摻雜區(qū)域及該兩個重摻雜區(qū)域之間的本征區(qū)的光波導變跡光柵，所述的兩個重摻雜區(qū)域為P型和η型重摻雜區(qū)域或P型和P型重摻雜區(qū)域，形成p-i-n結(jié)或p-i-p結(jié)構(gòu)形式，所述的光波導變跡光柵是由高折射率差的硅基材料構(gòu)成，中間為常規(guī)硅波導，旁邊為硅鋸齒和空氣縫相間形成的光柵，在所述的P型重摻雜區(qū)域和η型重摻雜區(qū)上淀積金屬電極，用來和外部電路相連以加載電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述光波導變跡光柵的上包層為氧化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述的光波導變跡光柵，其硅鋸齒的寬度從中間向波導兩端遞減，中間常規(guī)硅波導的寬度從中間向波導兩端遞增，在兩端和常規(guī)硅波導平滑相連，避免光柵與常規(guī)波導耦合時由于突變引起的強反射。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述的SOI光波導光柵，其硅鋸齒和中間常規(guī)波導的寬度相互匹配，使得光柵每個周期的中心波長為一個定值，以獲得最大的反射效率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述的p-i-n結(jié)構(gòu)形式 所述的變跡光柵完全處于本征i區(qū)，P型和η型重摻雜區(qū)分別處于本征i區(qū)的兩側(cè)，中間本征i區(qū)的寬度沿光柵縱向線性變化，不同寬度的本征區(qū)，在相同的電壓下，載流子注入的濃度不同，由等離子色散效應導致硅的折射率不同，形成啁啾光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述的p-i-p結(jié)構(gòu)形式變跡光柵完全處于本征i區(qū)，兩個P型重摻雜區(qū)分別處于本征區(qū)的兩側(cè)，中間本征區(qū)的寬度同樣沿光柵縱向線性變化，不同寬度的本征區(qū)，電阻值不同，在相同的電壓下，溫度升高不同，由熱光效應導致硅的折射率不同，形成啁啾光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述的P型或η型重摻雜區(qū)域的摻雜濃度在IO18-IO2Vcm3之間，以形成良好的歐姆接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，其特征在于，所述的P型或η型重摻雜區(qū)域離光柵的寬度在幾百納米到幾微米之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基集成啁啾光柵可調(diào)光延遲線，包括在絕緣體上硅基底上兩個重摻雜區(qū)域及該兩個重摻雜區(qū)域之間的本征區(qū)的光波導變跡光柵，所述的兩個重摻雜區(qū)域為p型和n型重摻雜區(qū)域或p型和p型重摻雜區(qū)域，形成p-i-n結(jié)或p-i-p結(jié)構(gòu)形式，所述的光波導變跡光柵是由高折射率差的硅基材料構(gòu)成，中間為常規(guī)硅波導，旁邊為硅鋸齒和空氣縫相間形成的光柵，在所述的p型重摻雜區(qū)域和n型重摻雜區(qū)上淀積金屬電極，用來和外部電路相連以加載電壓。通過改變外加電壓可以改變光柵的啁啾量，實現(xiàn)對光信號延遲量的動態(tài)調(diào)節(jié)，具有加工簡單，調(diào)節(jié)迅速，可調(diào)范圍大等優(yōu)點。
文檔編號G02F1/015GK102955267SQ20121044456
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者鄒志, 周林杰, 謝靜雅, 陸梁軍, 孫曉萌, 孫麗麗, 李新碗, 陳建平 申請人:上海交通大學