基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器制造技术

一种基于硅‑相变材料混合集成的多级光衰减器，是在绝缘体硅平台上刻蚀形成硅波导,并在硅波导有源区域进行掺杂，形成掺杂硅波导,再在掺杂硅波导顶部的部分区域沉积相变材料层和保护层,结构整体上覆盖一定厚度的上包层，掺杂硅波导的两侧区域通过通孔与位于上包层外的阳极和阴极金属平板相连接构成。相对于传统的热光和电光衰减单元，本发明专利技术将相变材料与传统波导相结合构成的基于复合波导的超紧凑型光衰减器，通过控制电脉冲的数量和功率来控制相变材料的相变程度，实现多级光衰减，具有数字式调节、功耗低、集成度高等特点。

【技术实现步骤摘要】
基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器
本专利技术涉及多级光衰减器，特别是一种基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器。
技术介绍
光子集成技术能够大幅度缩小器件尺寸、降低功耗、节约成本，因此被广泛应用于各种光互连和信号处理系统中。与专用集成电路一样，为满足特定的需求而设计的光子集成回路只能使用特定的光路配置来执行特定的功能，虽然在多次的设计和制造之后，器件的性能可以得到很好的优化，但设计过程缺乏通用性，使其无法用于对通用性和成本要求较高的设计方案。因此，可重构光路的设计是非常有意义的，即通过简单地重置几个关键部件即可满足不同的功能。另一方面，波导折射率调谐是有源器件的基础。硅基光电子集成器件通过热光效应或者载流子色散效应来改变硅材料的特性，从而实现对硅波导折射率的有效调节。但热光效应的响应速度比较慢，通常在微秒量级；载流子色散效应虽然响应快，但其折射率的调节范围有限，通常折射率改变在0.001量级，因此为了达到180度相位的变化，需要毫米量级的长度，导致器件通常很长、功耗很高。虽然采用高Q值谐振腔结构或光子晶体慢光结构可以减小器件尺寸，但其工作带宽通常很小、损耗较大，无法大规模级联，且对环境温度变化非常敏感。更重要的是它们都是易失性的，需要外加电压来维持这种状态。这导致了很大的静态功耗，特别是在光路不经常切换的可重构光芯片应用上，例如光子路由和光信号处理等。因此需要寻找一种可以实现对折射率大幅度、快速调节的材料，以此来弥补硅材料的不足，从而大幅度降低硅光器件的尺寸和功耗。非易失性折射率调谐方案是将相变材料与硅材料集成在一起。相变材料在相变前后具有显著的光学性质变化，可以获得Δn>1的折射率变化。相变材料本身具有“自保持”特性，因此，折射率的改变可以长时间保持而不消耗能量。此外，相变材料的相变时间一般为几百皮秒到十几纳秒，该特性使其非常适用于快速可重构集成光子回路。近年来，人们对包含相变材料的光子器件越来越感兴趣。牛津大学的研究人员2018年在ScienceAdvances(Vol.3,no.9)上报道了将相变材料和光子集成回路组合在一起来模拟人脑突触行为，这种芯片的运算速度可以比人脑的速度快1000倍。如果这种芯片用于超级计算机，则可最大限度地同时存储信息，并只需使用最小的功耗。麻省理工学院实验室2018在OpticsLetter(Vol.43,Issue1)上报道了一种具有低损耗、低串扰、应用于C波段、非易失性的片上集成光开关的设计方案。该方案采用一种新的光学相变材料Ge2Sb2Se4Te1，与传统的相变材料相比，它的光学损耗大幅降低，此外他们还证明了1×2和2×2光开关可以作为构建非阻塞和非易失性片上光开关阵列结构的基本单元器件。上海交通大学2108年在OpticsLetter(Vol.43,Issue22)上报道了全光可调谐非易失性相变材料光开关。通过使用一系列光脉冲使Ge2Sb2Te5(GST)相变，从而实现调谐。调谐是非易失性的，由于GST的“自保持”特性而没有静态功耗。通过控制脉冲数可以使2μm长的GST部分结晶，从而提高调谐自由度。通过选择最佳波长，可以获得超过20dB的透射对比度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器，该多级光衰减器具有调节速度快(ns量级)、调节次数多(>1012)、具有自保持特性、无静态功耗、与现有的CMOS工艺兼容、技术实现难度和成本较低等优点。本专利技术的技术解决方案如下：一种基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器,其特点在于绝缘体硅平台包括在本征硅层上的绝缘体层和形成在绝缘体层上的第二本征硅层,在第二本征层中形成硅波导,在硅波导有源区域进行掺杂，形成掺杂硅波导,再在掺杂硅波导的顶部的部分区域依次沉积相变材料层和保护层,所述的相变材料层是夹在所述的掺杂硅波导和保护层之间，结构整体上覆盖一定厚度的上包层，所述的掺杂硅波导的两侧区域通过通孔与位于所述的上包层外的阳极(+)和阴极(-)金属平板相连接，所述的硅波导(4)是脊形波导或条形波导，所述的硅波导(4)的掺杂类型是P型硼掺杂或N型磷掺杂。所述的相变材料层是硫属化合物玻璃，包括Ge2Sb2Te5、GeTe、GeSe、AgInSbTe或Ge2Sb2Se4Te1。所述的保护层是氧化铟锡(ITO)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或硫化锌-二氧化硅(ZnS-SiO2)。所述的上包层的材料是二氧化硅、空气、氮氧化硅或氮化硅。在所述的金属平板的阳极和阴极施加电脉冲形成局部热点，从而诱导相变材料进行相变，改变复合波导的有效折射率虚部，实现光衰减的功能。通过控制外加电脉冲的数量和功率来控制相变材料的相变程度，从而获得多个中间状态，最终实现多级光衰减。形成多级光衰减的物理机理在于外加的脉冲能量会对相变材料的相变程度产生影响。例如外加电脉冲为方波脉冲(脉冲数n、脉冲电压V、脉冲电流I、脉冲时间t),脉冲的能量为P＝I×V×t×n，相变材料全部相变所需功率为Pall，相变阈值功率为Pth。当施加的电脉冲能量Pin满足Pth<Pin<Pall时，即可使相变材料处于不同的晶化程度，让光衰减器提供一定程度衰减。本专利技术的优点在于调节速度快(ns量级)、调节次数多(>1012)、具有自保持特性(无需外部电压便可维持光衰减量不变)、与现有的CMOS工艺兼容、技术实现难度和成本较低、通过控制相变材料的相变程度可实现多级光衰减。附图说明图1为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器实施例示意图，其中硅波导层为脊形波导。图2为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器的工作原理图。图3为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器实施例示意图，其中硅波导层为条形波导。图4为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器电场强度沿传播方向分布情况。图5为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器在电脉冲作用下的相变机理。图6为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器在多次“开”和“关”下的时域响应。图7为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器在实现3种和7种衰减状态的时域响应。图8为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器在不同衰减状态之间切换的时域响应。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步阐述，但不应以此限制本专利技术的保护范围。图1为本专利技术基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器实施例1的示意图，该芯片形成在绝缘体硅(SOI)平台上，该SOI平台具有形成在本征硅层1上的绝缘体层2和形成在绝缘体层2上的第二本征硅层3。在第二本征层3中形成脊形硅波导4。在硅波导4有源区域进行P型硼掺杂，形成掺杂波导5。再在掺杂波导5的部分区域的顶部沉积相变材料层6和保护层7。结构的上包层8为二氧化硅。所述的掺杂硅波导5两侧区域通过通孔9与位于所述的上包层8外的金属平板10相连接，在金属平板10的阳极(+)和阴极(-)上施加电脉冲形成局部热点，从而诱导相变材料进行相变。本专利技术的光衰减器的工作原理如图2所示：在金属平板10的阳极(+)和阴极(-)上施加电脉冲，在掺杂硅波导5上产生焦耳热，由掺杂硅波导5向相变材料6传递相变所需的热量。通过控制电脉冲的能量，可以控制相变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅‑相变材料混合集成的多级光衰减器，其特征在于绝缘体硅平台包括在本征硅层(1)上的绝缘体层(2)和形成在绝缘体层(2)上的第二本征硅层(3),在第二本征层(3)中形成硅波导(4),在硅波导(4)有源区域进行掺杂，形成掺杂硅波导(5),再在掺杂硅波导(5)的顶部的部分区域沉积相变材料层(6)和保护层(7),相变材料层(6)夹在掺杂硅波导(5)和保护层(7)之间，结构整体上覆盖一定厚度的上包层(8)，所述的掺杂硅波导(5)的两侧区域通过通孔(9)与位于所述的上包层(8)外的阳极(+)和阴极(‑)金属平板(10)相连接，在所述的阳极金属平板(10)和阴极金属平板(10)上施加电脉冲形成局部热点，从而诱导相变材料进行相变，硅波导(4)是脊形波导或条形波导，掺杂硅波导(5)的掺杂类型是P型硼掺杂或N型磷掺杂。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅-相变材料混合集成的多级光衰减器，其特征在于绝缘体硅平台包括在本征硅层(1)上的绝缘体层(2)和形成在绝缘体层(2)上的第二本征硅层(3),在第二本征层(3)中形成硅波导(4),在硅波导(4)有源区域进行掺杂，形成掺杂硅波导(5),再在掺杂硅波导(5)的顶部的部分区域沉积相变材料层(6)和保护层(7),相变材料层(6)夹在掺杂硅波导(5)和保护层(7)之间，结构整体上覆盖一定厚度的上包层(8)，所述的掺杂硅波导(5)的两侧区域通过通孔(9)与位于所述的上包层(8)外的阳极(+)和阴极(-)金属平板(10)相连接，在所述的阳极金属平板(10)和阴极金属平板(10)上施加电脉冲形成局部热点，从而诱导相变材料进行相变，硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：周林杰，张涵予，陆梁军，陈建平，刘娇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31