为光子结构中的波长漂移提供补偿的方法及设备技术

本发明专利技术描述在光子波导中提供波长漂移补偿的一种方法及一种设备。在一个方面中，一种光学结构包括：波导谐振器，其包括光学输入、光学输出及具有谐振波长的波导，所述波导包括应变波导芯及经布置以环绕所述芯的至少一个包层；及至少一对电极，其电耦合到所述波导谐振器以用于提供改变所述波导谐振器的所述谐振波长的电场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于为在操作期间可遭受热诱导的波长漂移的光子结构提供波长补偿的方法及设备。更特定来说，本专利技术涉及针对波导谐振器的波长补偿。
技术介绍
环形或跑道形波导谐振器通常在集成式光子电路中用作用于光学信号的调制器或滤波器。如此，波导谐振器的谐振频率(通常以波长来表示)需要与通过所述波导谐振器的所预期光学信号的波长对准，否则调制器或滤波器性能将降级。此类谐振器的操作波长可对操作条件(例如温度改变)是敏感的，此可导致波长漂移。为补偿此类热诱导的波长漂移，可使用局部微加热器来维持波导谐振器的恒定温度。当局部加热波导谐振器时，所述加热导致波导谐振器的有效折射率的改变且产生稳定操作波长。加热器使波导谐振器保持处于所要温度且因此保持处于所要操作波长。基于热的漂移补偿机构具有大量缺点，例如缓慢响应、额外能量成本、低准确性、仅单向加热(无冷却)及难以在集成式光子系统中应用于实际使用。需要用于光子波导谐振器的经改善波长漂移补偿方法及设备。附图说明图1是根据本专利技术的实施例的波导谐振结构的俯视图；图2图解说明可使用本专利技术的实施例获得的谐振波长的改变；图3以横截面图解说明结构实施例；图4A到4E以横截面图解说明可用于形成图3实施例的方法的实施例；图5以横截面图解说明结构实施例；图6A到6F以横截面图解说明可用于形成图5实施例的方法的实施例；图7以横截面图解说明结构实施例；图8A到8D以横截面图解说明可用于形成图7实施例的方法的实施例；图9图解说明可与本专利技术的各种实施例一起使用的控制电路；图10图解说明可在图9控制电路中使用的控制算法的实施例；且图11图解说明可在图9控制电路中使用的另一控制算法的实施例。具体实施方式下文所描述的结构实施例针对波导谐振器及相关联偏置结构使用应变波导芯材料，所述相关联偏置结构跨越波导谐振器施加电压以将波导谐振器的有效折射率及因此谐振波长设定为所要值，借此补偿可以其它方式发生的热诱导的波长漂移。应变芯材料是其中材料原子拉伸超过其正常原子间距离的一种材料。可在波导中以数种方式(举例来说，通过将具有不同于芯材料的热膨胀系数的包覆材料放置成与芯材料接触)实现应变。为进一步增强在芯材料中诱导的应变，可加热芯材料及包层。还可通过使用包覆材料产生应变芯材料，在所述包覆材料中原子间距离大于波导芯材料的原子间距离而导致芯材料的原子拉伸且与所述包覆材料的原子对准。另外，固有地应变的特定材料可用于波导芯材料。通过用特定掺杂物掺杂波导芯材料来使其发生应变也是可能的。硅通常用作光子系统中的波导芯材料。使硅波导芯材料发生应变的各种方式及其在光子系统中的使用描述于以下文章中：2011年12月4日科扎内莉(Cozzanelli)等人的通过氮化硅进行应变的硅波导中的二次谐波产生(Second,HarmonicGenerationinSiliconWaveguideStrainedbySiliconNitride)(自然材料期刊)以及2011年8月17日凯美拉克(Chmielak)等人的基于泡克耳斯效应的全集成应变硅光电调制器(PockelsEffectBasedFulleyIntegratedStrainedSiliconElectro-OpticModulator)(光学快报)。现在将描述方法及结构实施例。图1以俯视图来图解说明可在光子系统中用作调制器或滤波器的波导谐振器15。输入波导11及输出波导13短暂耦合到波导谐振器15的波导21。波导谐振器15包含闭合回路波导21，所述闭合回路波导展示呈环形，但可构造成跑道或其它闭合回路形状。还在图1中图解说明电耦合到波导21的底部表面的底部电极19，及电耦合到波导21的顶部表面的顶部电极17。波导21包含在跨越顶部电极17及底部电极19施加电压后即刻准许波导21的有效折射率的改变的应变波导芯材料。由所施加电压产生的电场导致波导21的谐振波长的变更，所述变更可用于移动且保持所要波长且因此补偿热诱导的波长漂移。图2图解说明跨越图1中的顶部电极17及底部电极19施加的电压可如何用于在施加电压后使波导21的有效折射率及因此所得波长移位。如图2中所展示，通过波导21的光学信号的强度具有标称谐振波长37a，所述标称谐振波长可因跨越图1结构的顶部电极17及底部电极19施加的电压而移位，如由强度值37b及37c所展示。在图3中图解说明谐振波导15的一个特定实施例，图3是穿过波导谐振器15的一部分的横截面。如所展示，可包括硅的波导芯29具有相关联下部包覆材料27以及上部及侧面包覆材料35。下部包覆材料27、波导芯29以及上部及侧面包覆材料35共同形成波导21。在制作下部包覆材料27、硅波导芯29及上部包覆材料35期间，在硅波导芯29中引入应变。如上文所提及，可以数种不同方式诱导应变。在一个实例中，硅波导芯29与具有不同于硅的热膨胀系数的热膨胀系数的上部包覆材料39(例如氮化硅)接触。此将在硅波导芯29中导致应变，所述应变通过在退火操作期间加热材料而增强。硅波导芯29中的应变允许响应于跨越对应于图1中的顶部电极17及底部电极19的顶部电极39a及底部电极39b施加电压而使用众所周知的泡克耳斯效应改变硅波导芯29的有效折射率。跨越波导21施加的偏置导致波导21的有效折射率调谐到设定值，所述调谐可用于将波导谐振器15的波长有效改变及/或维持到所要值以补偿热诱导的波长漂移。现在参考图4A到E描述图解说明于图3中的结构实施例的制作方式。图4A图解说明用于产生图3实施例的起始结构。如图4A中所展示，可为硅或其它衬底材料的衬底25具有形成于其上的底部包覆材料27。如在光子学技术中所众所周知，底部包覆材料27及上部包覆材料35具有比波导芯的材料的折射率低的折射率。底部包覆材料27可为二氧化硅或氮化硅。图4A中图解说明为材料28的波导芯材料可为硅。在一个实施例中，衬底25、底部包覆材料27及硅材料28可为整体绝缘体上硅(SOI)衬底的一部分。图4B图解说明在硅波导材料28已经蚀刻以形成硅波导芯29之后的图4A结构。在此之后，在波导芯上方且围绕其侧面边缘制作上部包覆材料35。针对硅芯材料29，用于上部包层的适合材料可为(举例来说)氮化硅、旋涂电介质、二氧化硅及具有不同于硅的热膨胀系数且可经加热以增加硅波导芯29中的应变的其它材料。在制作上部包覆材料35之后，可进行热退火过程以增强硅波导芯29中的应变。还可使用用于如上文所描述在硅波导芯29中诱导应变的其它技术来形成应变硅波导芯29。或者，固有地应变的材料28可用于波导芯29。图4A及4B还图解说明导电材料19在衬底25下方的形成。此层可通过沉积掺杂的多晶硅或通常用于集成电路的制造中的任何金属材料(例如，铜、铝)而形成。图4C图解说明通孔31在图4B结构中形成为低至导电材料19的水平面。此通孔31通过此项技术中众所周知的常规各向异性蚀刻技术形成。图4D图解说明导电材料39在图4C结构上方的形成，此举既填充通孔31又在上部包覆材料35上方提供上覆导电材料39。图4E图解说明用以形成单独电极39a及39b的对导电材料39的后续蚀刻，其中电极39对应于顶部电极17(图1)且电极39b连接到底部电极19。由于波导芯29中的应变在波导芯29中诱导二次非线性光学效应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学结构，其包括：波导谐振器，其包括光学输入、光学输出及具有谐振波长的波导，所述波导包括应变波导芯及经布置以环绕所述芯的至少一个包层；及，至少一对电极，其电耦合到所述波导谐振器以用于提供改变所述波导谐振器的所述谐振波长的电场。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.16 US 14/254,1731.一种光学结构，其包括：波导谐振器，其包括光学输入、光学输出及具有谐振波长的波导，所述波导包括应变波导芯及经布置以环绕所述芯的至少一个包层；及，至少一对电极，其电耦合到所述波导谐振器以用于提供改变所述波导谐振器的所述谐振波长的电场。2.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述包层的至少一部分具有不同于所述波导芯的热膨胀系数的热膨胀系数。3.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述应变波导芯是由所述至少一个包层的至少一部分产生。4.根据权利要求1所述的光学结构，其进一步包括：控制装置，其用于将电压施加到所述电极以改变所述波导谐振器的所述谐振波长。5.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述控制装置耦合到用于检测影响所述波导谐振器的温度的温度传感器，且基于所感应到的温度而产生施加到所述电极的电压。6.根据权利要求5所述的光学结构，其进一步包括温度设定点装置，所述温度设定点装置耦合到所述控制装置以用于产生用于设定波长设定点的电压。7.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述控制装置耦合到用于检测所述波导谐振器的波长的波长检测器，且基于所检测到的波长而产生施加到所述电极的电压。8.根据权利要求7所述的光学结构，其进一步包括耦合到所述控制装置以用于设定波长设定点的波长设定点装置。9.根据权利要求5所述的光学结构，其中所述波导谐振器的所述谐振波长在第一操作温度下发生，且所述控制装置将根据与所述第一操作温度的温度偏差而改变所述谐振波长的值的电压施加到所述电极。10.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述控制装置与所述波导谐振器位于共用衬底上。11.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述至少一个包层至少包括在所述波导芯下方的第一底部包层及至少在所述波导芯上方延伸的第二上部包层，所述第一包层及所述第二包层中的至少一者将应变提供到所述波导芯。12.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述上部包层将应变提供到所述波导芯材料。13.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述波导芯包括Si、GaAs、INP、SixGe1-x中的一者。14.根据权利要求12所述的光学结构，其中所述上部包覆材料包括氮化硅、SiOxNy、旋涂电介质、SiO2、氢化SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2及Al2O3中的一者。15.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述底部包层包括氧化硅。16.根据权利要求15所述的光学结构，其中所述氧化硅是绝缘体上硅结构的一部分。17.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述电极中的第一者位于所述第一底部包层下方，且所述电极中的第二者位于所述第二上部包层上方。18.根据权利要求11所述的光学结构，其进一步包括位于所述电极中的至少一者与所述第二上部包层之间的热光补偿包层。19.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述电极中的第一者电耦合到所述第二上部包层，且所述电极中的第二者在与所述电极中的所述第一者间隔开的位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕磊，罗伊·米迪，古尔特杰·桑胡，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US