一种SOI基结构的电光逻辑门制造技术

本发明专利技术公开了一种SOI基结构的电光逻辑门，包括基于SOI材料制作的直波导和钩型波导，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区、第一半环波导、S-Bend、第二偶合区和第二半环波导，S-Bend为中心对称结构，第一耦合区和第二耦合区在一条直线上，第一半环波导和第二半环波导均为1/2圆环，且第一半环波导和第二半环波导的环口正对；钩型波导位于直波导的一侧，且钩型波导的第一耦合区和第二耦合区与直波导相平行。本发明专利技术提供的SOI基结构的电光逻辑门，在完成耦合的同时能够实现高速调制，快速完成模拟电信号到数字光信号的转换，实现超快电光逻辑门操作，可以在高速通信网络中获得应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硅基光子学及芯片级光互联技术，尤其涉及一种新型SOI基结构的电光逻辑门。
技术介绍
随着互联网的日益膨胀和信息技术的不断进步，对于信息处理速度的要求也在不断增长。尽管全光信息处理系统的运算速度要远远高于电子系统，但目前的数字通信系统还没有深入光学领域。但在现有基于电子技术的通信网中，网络的各个节点要完成光－电－光的转换，其中的电子器件受限于器件工作上限速率40Gb/s，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理。由于现阶段真正的全光网络尚无法实现，光电转换效率就成为了高速网络的关键。随着通信系统发展对于高速要求的不断提高，硅材料以其独特的含量高、易集成、可与CMOS兼容的优势受到了强烈的关注。光通信领域中可以利用硅材料的特点实现低损耗、高性能、高速的光连接用以克服微电子芯片集成过程中越来越多的电学连接所带来的限制：比如RC延迟，信号变形等问题。光子的传播速度是3×108米/秒，是电子传播速度的500倍，因而光子计算机具有超高的运算速度，使光子计算机的计算速度达1023/秒，在技术上可实现1012～1015次/秒的计算速度和100Gb/s的传输能力。受光网络发展需求的推动，SOI材料近年来在光电子领域中的应用发展极为迅速。基于SOI材料制作集成光波导器件具有基于其他传统光学材料的光子器件所无法比拟的技术优势，具体包括以下几点：1、与标准硅基CMOS(complementarymetal-oxide-semiconductor)工艺完全兼容，制备工艺成熟、方便而且价格低廉；2、可以在SOI上同时制作有源器件和无源器件，便于实现单片光电混合集成(OEIC)；3、由于光波导芯层Si(n＝3.45)和包层Si02(n＝1.46)的折射率差很大，波导具有很强的光学限制作用，波导的尺寸和弯曲半径可以做得很小，因此基于SOI的光子集成芯片有很小的芯片尺寸和很高的集成度，而且能够实现三维的大规模集成；4、器件的损耗很小，模式特性和偏振特性很好，而且传输带宽很大；5、器件的导热性能好，高频特性明显优于Si02材料；6、用于全光互连的光子回路的运算速度将比目前的电子回路快约104倍。硅作为光学材料，具有很强的载流子色散效应，通过利用载流子色散效应，改变折射率分布和吸收系数，可以实现对光波的调制或切换，继而实现作为光通信系统和光网络中关键器件的光调制器和光开关等，进而实现逻辑门操作。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种新型SOI基结构的电光逻辑门，其具有耦合调制功能一体化、传输损耗低、响应速率快、低压等潜在的特性和优点，另外其制作工艺与COMS工艺兼容。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种SOI基结构的电光逻辑门，包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导和钩型波导两部分，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区、第一半环波导、S-Bend、第二耦合区和第二半环波导，S-Bend为中心对称结构，第一耦合区和第二耦合区在一条直线上，第一半环波导和第二半环波导均为1/2圆环，且第一半环波导和第二半环波导的环口正对；钩型波导位于直波导的一侧，且钩型波导的第一耦合区和第二耦合区与直波导相平行；所述第一耦合区和第二耦合区的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P-I-N结构，在第一耦合区和第二耦合区上方各设置有一个共面波导电极，共面波导电极与电学结构形成电学接触，通过共面波导电极向第一耦合区和第二耦合区加载模拟电信号；所述直波导的一端作为电光逻辑门与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波，直波导的另一端作为电光逻辑门的第一输出端，用于实现逻辑门功能；第二半环波导的末端作为电光逻辑门的第二输出端，用于实现耦合信号的单独输出。优选的，所述第一半环波导的半径小于第二半环波导的半径，以便于通过辅助输出波导延伸第二输出端。优选的，根据第一耦合区和第二耦合区的长度，第一半环波导和第二半环波导的半径，在第一半环波导和S-Bend之间设置一段辅助直波导，辅助直波导的两端通过端面对端面方式分别与第一半环波导和S-Bend连接；通过辅助直波导能够保证钩型波导为规则的几何形状，在保证结构的美观性同时，简化结构的整体分析。优选的，所述第一耦合区的末端通过端面对端面的方式连接有一段弯曲波导，弯曲波导的末端远离直波导；弯曲波导的设计能够防止第一耦合区的末端散出去的能量对直波导产生影响。优选的，所述第二半环波导的末端通过端面对端面的方式连接有一段辅助输出波导，通过辅助输出波导延伸第二输出端；辅助输出波导的设计能够使第一输出端和第二输出端在同一平面上，方便外接信号；同时结合第一半环波导和第一半环波导的半径设计，可以让辅助输出波导远离钩型波导，避免钩型波导与辅助输出波导之间的相互影响，同时也避免弯曲波导末端散出去的能量对辅助输出波导产生影响。本专利技术的最大特征在于采用了A/D转换的方式，将模拟电信号转换为数字光信号输出，具体实现过程为：两个偶合区采用P-I-N结构，利用SOI的载流子色散效应，通过改变加载在两个偶合区的模拟电信号的强度，可以改变耦合区中载流子浓度，由于载流子的色散效应，引起耦合区折射率的变化(即引起耦合器的耦合效率的变化)，输入光波通过直波导对应位置时会产生相应的相位变化，当达到相位匹配的情况时，光能就从直波导耦合到耦合器，我们对第一输出端输出的光能进行检测，就能间接知道耦合效率的大小，将对光波的相位调制转换成对光能的强度调制。本专利技术可以分别对两个偶合区的模拟电信号进行控制，能够在第一输出端实现逻辑门功能，还能够在第二输出端实现耦合信号的单独输出，通过对模拟电信号的调制，可以控制第二输出端输出的能量大小。有益效果：本专利技术提供的SOI基结构的电光逻辑门，钩型波导的设计有效减小了这个器件的面积；该器件在完成耦合的同时能够实现高速调制，快速完成模拟电信号到数字光信号的转换，实现超快电光逻辑门操作，可以在高速通信网络中获得应用。附图说明图1为本专利技术的平面示意图；图2为本专利技术中耦合区的剖面结构示意图；图3为实施例要实现的或非逻辑门的示意图；图4为实施例的逻辑功能仿真效果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。本专利技术是基于SOI材料设计的硅基电光逻辑门，为了达到最佳设计效果，对单模脊型波导的尺寸要求也根据设计目的而有所不同；本案对单模脊型波导的尺寸设计如下：顶层Si厚度为340nm，SiO2厚度为2um。如图1所示，为一种SOI基结构的电光逻辑门，包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导1和钩型波导两部分，钩型波导位于直波导1的一侧；所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的弯曲波导6、第一耦合区3-1、第一半环波导2-1、辅助直波导5、S-Bend4、第二耦合区3-2、第二半环波导2-2和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导(1)和钩型波导两部分，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区(3‑1)、第一半环波导(2‑1)、S‑Bend(4)、第二耦合区(3‑2)和第二半环波导(2‑2)，S‑Bend(4)为中心对称结构，第一耦合区(3‑1)和第二耦合区(3‑2)在一条直线上，第一半环波导(2‑1)和第二半环波导(2‑2)均为1/2圆环，且第一半环波导(2‑1)和第二半环波导(2‑2)的环口正对；钩型波导位于直波导(1)的一侧，且钩型波导的第一耦合区(3‑1)和第二耦合区(3‑2)与直波导(1)相平行；所述第一耦合区(3‑1)和第二耦合区(3‑2)的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P‑I‑N结构，在第一耦合区(3‑1)和第二耦合区(3‑2)上方各设置有一个共面波导电极(8)，共面波导电极(8)与电学结构形成电学接触，通过共面波导电极(8)向第一耦合区(3‑1)和第二耦合区(3‑2)加载模拟电信号；所述直波导(1)的一端作为电光逻辑门与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波，直波导(1)的另一端作为电光逻辑门的第一输出端，用于实现逻辑门功能；第二半环波导(2‑2)的末端作为电光逻辑门的第二输出端，用于实现耦合信号的单独输出。...

【技术特征摘要】
1.一种SOI基结构的电光逻辑门，其特征在于：包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模脊型波导包括直波导(1)和钩型波导两部分，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一耦合区(3-1)、第一半环波导(2-1)、S-Bend(4)、第二耦合区(3-2)和第二半环波导(2-2)，S-Bend(4)为中心对称结构，第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)在一条直线上，第一半环波导(2-1)和第二半环波导(2-2)均为1/2圆环，且第一半环波导(2-1)和第二半环波导(2-2)的环口正对；钩型波导位于直波导(1)的一侧，且钩型波导的第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)与直波导(1)相平行；
所述第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P-I-N结构，在第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)上方各设置有一个共面波导电极(8)，共面波导电极(8)与电学结构形成电学接触，通过共面波导电极(8)向第一耦合区(3-1)和第二耦合区(3-2)加载模拟电信号；
所述直波导(1)的一端作为电光逻辑门与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波，直波导(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国华，李磊，戚志鹏，恽斌峰，张若虎，钟嫄，崔一平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32