專利名稱：結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光強度調(diào)制器及制作方法，特別是一種在絕緣層上的硅(SOI)材料上制作的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器及制作方法，屬于光通信器件領(lǐng)域。
光調(diào)制器是光通信和光信息處理系統(tǒng)的重要器件，特別是近年來高速光纖傳輸系統(tǒng)的迅速發(fā)展，迫切要求高速光調(diào)制器與之適應。與體塊型調(diào)制器相比較，光波導型調(diào)制器具有頻帶更寬、速率更高、功耗更低、體積重量更小以及便于實現(xiàn)集成化等優(yōu)點(R.G.Hunsperger，Photonic Devices andSystems，New York，Marcel Dekker，Inc.，p.61，1994；葉培大，吳彝尊，光波導技術(shù)基本理論，人民郵電出版社，p.444，1981)。由于硅的中心反演對稱性，硅的直接電光效應非常弱，因此SOI波導光調(diào)制器通常利用熱光效應或等離子色散效應(自由載流子效應)實現(xiàn)調(diào)制。載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器是通過外加電場形成注入電流來增加半導體中自由載流子濃度，主要利用硅的等離子色散效應對光吸收的影響，實現(xiàn)對導波光的強度調(diào)制。由于可注入器件的電流密度的限制，硅調(diào)制波導獲得的自由載流子濃度通常在1017/cm3的數(shù)量級上。在優(yōu)化載流子注入結(jié)構(gòu)以獲得濃度較高、空間分布均勻的注入載流子的前提下，載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器要實現(xiàn)一定的調(diào)制深度必須有相當長的調(diào)制長度來保證。例如，根據(jù)R.A.Soref等人的研究(R.A.Soref and B.R.Bennett，electrooptical effects insilicon，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.QE-23，no.l，p.123-129，1987)，在波長λ＝1550nm，注入自由載流子濃度N＝1.0×1017/cm3時，被調(diào)制的硅波導可以獲得約6.3dB/cm的光吸收系數(shù)α，實現(xiàn)95％的調(diào)制深度(約13dB)則要求調(diào)制器的調(diào)制長度至少為21mm。
普通結(jié)構(gòu)的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器受調(diào)制長度的限制，通常其調(diào)制深度不深(約幾個dB)，如S.Kaneda等人(S.Kaneda，Y.Fujisawa，and K.Kikuir，infra-red light modulation of ridge-type opticalwaveguide structure using effect of free-carrier absorption.Electronics Letters，vol.22，p.922-923，1986)所報道的，這大大制約了其在光波回路集成(PLC)中的應用。而若要獲得深的調(diào)制深度，普通結(jié)構(gòu)的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器必然由于對調(diào)制長度的要求而導致器件長度較長，這不符合未來光網(wǎng)絡(luò)的器件小尺寸化的要求，也影響了器件加工與常規(guī)硅微電子加工工藝設(shè)備的兼容性。
鑒于普通結(jié)構(gòu)的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器的調(diào)制深度與器件長度之間的矛盾，大大制約了其自身的發(fā)展及在光波回路集成(PLC)中的應用。本發(fā)明的目的在于提供一種在絕緣層上的硅(SOI)材料上制作的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器及制作方法，在短距離、小面積范圍內(nèi)實現(xiàn)了調(diào)制波導的緊湊排列，確保了光強度調(diào)制器在較短的器件長度的條件下具備足夠的調(diào)制長度與調(diào)制深度，解決了調(diào)制深度與器件長度之間的矛盾。本發(fā)明的目的是通過下面敘述的方式實現(xiàn)的。
以絕緣層上的硅(SOI)為基材料，包含輸入波導、輸出波導、至少兩個調(diào)制直波導。在調(diào)制區(qū)內(nèi)，每條調(diào)制波導有各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域，調(diào)制波導之間的連接通過利用硅的各向異性腐蝕特性或反應離子刻蝕技術(shù)制得的全內(nèi)反射波導實現(xiàn)，且兩相鄰調(diào)制波導的軸線相互垂直，在短距離、小面積范圍內(nèi)實現(xiàn)了調(diào)制波導的緊湊排列，從而解決了載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器的調(diào)制深度與器件長度之間的矛盾。通過設(shè)計、調(diào)整全內(nèi)反射波導的位置和方向，使輸入和輸出波導在調(diào)制波導的同一側(cè)或不同側(cè)面，從而調(diào)制波導可以與不同位置的輸入輸出波導實現(xiàn)靈活連接。
輸入輸出波導、調(diào)制直波導均是SOI單模脊形光波導，全內(nèi)反射波導是利用各向異性濕法腐蝕或反應離子刻蝕技術(shù)制得的鏡面平整且與脊形波導平面垂直的全反射鏡凹槽。
采用常規(guī)硅微電子加工工藝，制作結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器的具體步驟如下1、在絕緣層上的硅材料表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
2、光刻腐蝕出全內(nèi)反射鏡凹槽的圖形。
3、在硅的各向異性腐蝕液中進行濕法腐蝕制作出全反射鏡凹槽，或利用反應離子刻蝕技術(shù)制作出全內(nèi)反射鏡凹槽，腐蝕或刻蝕深度控制在部分進入底部絕緣層(二氧化硅埋層)為止。
4、在刻蝕了全內(nèi)反射鏡凹槽的材料器件層表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
5、光刻腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導的圖形。
6、各向異性濕法腐蝕或反應離子刻蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導，腐蝕或刻蝕深度控制在滿足波導單模條件。
7、去二氧化硅或氮化硅。
8、采用套刻、離子注入、熱蒸發(fā)電極、刻蝕電極等工藝，制作出調(diào)制波導各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域。
還可以采用下述制作步驟1、在絕緣層上的硅材料表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
2、光刻腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導的圖形。
3、各向異性濕法腐蝕或反應離子刻蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導，腐蝕或刻蝕深度控制在滿足波導單模條件。
4、在刻蝕了輸入輸出波導、調(diào)制波導的材料器件層表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
5、光刻腐蝕出全內(nèi)反射鏡凹槽的圖形。
6、在硅的各向異性腐蝕液中進行濕法腐蝕制作出全反射鏡凹槽，或利用反應離子刻蝕技術(shù)制作出全內(nèi)反射鏡凹槽，腐蝕或刻蝕深度控制在部分進入底部絕緣層(二氧化硅埋層)為止。
7、去二氧化硅或氮化硅。
8、采用套刻、離子注入、熱蒸發(fā)電極、刻蝕電極等工藝，制作出調(diào)制波導各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域。
本發(fā)明提供的方法具有如下優(yōu)點1、通過全內(nèi)反射波導，在短距離、小面積范圍內(nèi)實現(xiàn)了調(diào)制波導的緊湊排列，確保了載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器在較短的器件長度的條件下具備足夠的調(diào)制長度與調(diào)制深度，解決了調(diào)制深度與器件長度之間的矛盾。
2、每條調(diào)制波導有各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域，且調(diào)制長度可以各不相同，載流子注入結(jié)構(gòu)也可以各不相同，通過選擇調(diào)制對象可以滿足不同的調(diào)制要求。
3、通過設(shè)計、調(diào)整全內(nèi)反射波導的位置和方向，調(diào)制波導可以與不同位置的輸入輸出波導實現(xiàn)靈活連接，便于實現(xiàn)集成化。
4、器件結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，制作工藝與硅微電子加工工藝完全兼容。
圖2是

圖1的一個全內(nèi)反射波導的放大示意圖。
圖3是在絕緣層上的硅材料上制作的一個結(jié)構(gòu)緊湊的且輸入和輸出波導在調(diào)制波導的同一側(cè)的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器的示意圖。
圖4是在絕緣層上的硅材料上制作的一個結(jié)構(gòu)緊湊的且輸入和輸出波導在調(diào)制波導的不同側(cè)面的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器的示意圖。
圖中，1為輸入波導；2為輸出波導；3為調(diào)制波導；4為調(diào)制區(qū)；5為載流子注入?yún)^(qū)域；6為全內(nèi)反射波導。
具體實施例方式
下面的實施例結(jié)合附圖將有助于理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于此。
實施例1是在頂層硅厚度為8μm的SOI外延片上，制作的一個結(jié)構(gòu)緊湊的且輸入和輸出波導在調(diào)制波導的同一側(cè)的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器。
圖3是該調(diào)制器的示意圖。該調(diào)制器的器件總長度為15.0mm，包含輸入波導1，輸出波導2，三個調(diào)制波導3，兩個全內(nèi)反射波導6；輸入波導1、輸出波導2均在調(diào)制波導的左側(cè)；在調(diào)制區(qū)4內(nèi)，調(diào)制波導的軸線兩兩相互垂直；每個調(diào)制波導3的調(diào)制長度均為8.0mm，載流子注入?yún)^(qū)域5均采用PIN二極管的載流子注入結(jié)構(gòu)，能夠獲得的空間分布均勻的最大注入載流子濃度為N＝1.0×1017/3cm；調(diào)制任意一個調(diào)制波導可以實現(xiàn)的最大調(diào)制深度為68.4％(約5dB)，調(diào)制任意兩個調(diào)制波導可以實現(xiàn)的最大調(diào)制深度為90.0％(約10dB)，該光強度調(diào)制器的最大調(diào)制深度為96.8％(約15dB)。
該器件的具體制作步驟如下1、在頂層硅厚度為8μm的SOI外延片的表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
2、光刻腐蝕出全內(nèi)反射鏡凹槽的圖形。
3、在硅的各向異性腐蝕液中進行濕法腐蝕制作出全反射鏡凹槽，腐蝕深度約為8.2μm。
4、在刻蝕好全內(nèi)反射鏡凹槽的材料器件層表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
5、光刻腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導的圖形。
6、反應離子刻蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導，刻蝕深度約為3μm，滿足波導單模條件。
7、去二氧化硅或氮化硅。
8、采用套刻、離子注入、熱蒸發(fā)電極、刻蝕電極等工藝，制作出調(diào)制波導各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域。
實施例2是在頂層硅厚度為6μm的SOI外延片上，制作的一個結(jié)構(gòu)緊湊的且輸入和輸出波導在調(diào)制波導的不同側(cè)面的載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器。
圖4是該調(diào)制器的示意圖。該調(diào)制器的器件總長度為10mm，包含輸入波導1，輸出波導2，兩個調(diào)制波導3，一個全內(nèi)反射波導6；輸入波導1在調(diào)制波導的左側(cè)，輸出波導2在調(diào)制波導的下側(cè)；在調(diào)制區(qū)4內(nèi)，調(diào)制波導的軸線兩兩相互垂直；與輸入波導相連接的調(diào)制波導的調(diào)制長度為4.8mm，載流子注入?yún)^(qū)域5采用PIN二極管的載流子注入結(jié)構(gòu)，能夠獲得的空間分布均勻的最大注入載流子濃度為N＝2.0×1017/cm3，調(diào)制其可以實現(xiàn)的最大調(diào)制深度為74.9％(約6dB)；而與輸出波導相連接的調(diào)制波導的調(diào)制長度為4mm，載流子注入?yún)^(qū)域采用P+N結(jié)的載流子注入結(jié)構(gòu)，能夠獲得的空間分布均勻的最大注入載流子濃度為N＝3.0×1017/cm3，調(diào)制其可以實現(xiàn)的最大調(diào)制深度為82.2％(約7.5dB)，該光強度調(diào)制器的最大調(diào)制深度為95.5％(約13.5dB)。
該器件的具體制作步驟如下1、是在頂層硅厚度為6μm的SOI外延片的表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
2、光刻腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導的圖形。
3、各向異性濕法腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導，腐蝕深度約為2μm，滿足波導單模條件。
4、在刻蝕好輸入輸出波導、調(diào)制波導的材料器件層表面生長一層二氧化硅或氮化硅。
5、光刻腐蝕出全內(nèi)反射鏡凹槽的圖形。
6、利用反應離子刻蝕技術(shù)制作出全內(nèi)反射鏡凹槽，刻蝕深度約為6.2μm。
7、去二氧化硅或氮化硅。
8、采用套刻、離子注入、熱蒸發(fā)電極、刻蝕電極等工藝，制作出調(diào)制波導各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器，以絕緣層上的硅為基材料，包含輸入波導、輸出波導、至少兩個調(diào)制直波導，其特征在于每條調(diào)制波導有各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域，調(diào)制波導之間的連接通過利用硅的各向異性腐蝕特性或反應離子刻蝕技術(shù)制得的全內(nèi)反射波導實現(xiàn)，且兩相鄰調(diào)制波導的軸線相互垂直，在短距離、小面積范圍內(nèi)實現(xiàn)了調(diào)制波導的緊湊排列。
2.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器，其特征在于輸入和輸出波導在調(diào)制波導的同一側(cè)面或不同側(cè)面；且調(diào)制長度、載流子注入結(jié)構(gòu)依調(diào)制對象而變。
3.按權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器，其特征在于輸入和輸出波導及調(diào)制直波導是SOI單模脊形光波導。
4.按權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器，其特征在于包含輸入波導、輸出波導、三個調(diào)制波導、二個全內(nèi)反射波導；輸入和輸出波導均在調(diào)制波導的左側(cè)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，調(diào)制波導的軸線兩兩相互垂直；載流子注入?yún)^(qū)域采用PIN二極管的載流子注入結(jié)構(gòu)。
5.按權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器，其特征在于包含輸入波導、輸出波導、二個調(diào)制波導、一個全內(nèi)反射波導；輸入波導在調(diào)制波導右側(cè)，輸出波導在調(diào)制波導的下側(cè)；在調(diào)制區(qū)內(nèi)，調(diào)制波導軸線兩兩相互垂直，載流子注入?yún)^(qū)域采用PIN二極管的載流子注入結(jié)構(gòu)。
6.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器的制作方法，其特征在于1)在絕緣層上的硅材料表面生長一層二氧化硅或氮化硅；2)光刻腐蝕出全內(nèi)反射鏡凹槽的圖形；3)在硅的各向異性腐蝕液中進行濕法腐蝕制作出全反射鏡凹槽，或利用反應離子刻蝕技術(shù)制作出全內(nèi)反射鏡凹槽，腐蝕或刻蝕深度控制在部分進入底部絕緣層一即二氧化硅埋層為止；4)在刻蝕好全內(nèi)反射鏡凹槽的材料器件層表面生長一層二氧化硅或氮化硅；5)光刻腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導的圖形；6) 各向異性濕法腐蝕或反應離子刻蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導，腐蝕或刻蝕深度控制在滿足波導單模條件；7)去二氧化硅或氮化硅；8)采用套刻、離子注入、熱蒸發(fā)電極、刻蝕電極等工藝，制作出調(diào)制波導各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域。
7.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器的制作方法，其特征在于1)在絕緣層上的硅材料表面生長一層二氧化硅或氮化硅；2)光刻腐蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導的圖形；3)各向異性濕法腐蝕或反應離子刻蝕出輸入輸出波導、調(diào)制波導，腐蝕或刻蝕深度控制在滿足波導單模條件；4)在刻蝕了輸入輸出波導、調(diào)制波導的材料器件層表面生長一層二氧化硅或氮化硅；5)光刻腐蝕出全內(nèi)反射鏡凹槽的圖形；6)在硅的各向異性腐蝕液中進行濕法腐蝕制作出全反射鏡凹槽，或利用反應離子刻蝕技術(shù)制作出全內(nèi)反射鏡凹槽，腐蝕或刻蝕深度控制在部分進入底部二氧化硅絕緣埋層為止；7)去二氧化硅或氮化硅；8)采用套刻、離子注入、熱蒸發(fā)電極、刻蝕電極等工藝，制作出調(diào)制波導各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊的載流子吸收型光強度調(diào)制器及制作方法，包含輸入波導、輸出波導、至少兩個調(diào)制直波導，其特征在于以絕緣層上的硅(SOI)為基材料，每條調(diào)制波導有各自獨立的載流子注入?yún)^(qū)域，調(diào)制波導之間的連接通過利用硅的各向異性腐蝕特性或反應離子刻蝕技術(shù)制得的全內(nèi)反射波導實現(xiàn)，且兩相鄰調(diào)制波導的軸線相互垂直，在短距離、小面積范圍內(nèi)實現(xiàn)了調(diào)制波導的緊湊排列，解決了載流子吸收型硅波導光強度調(diào)制器的調(diào)制深度與器件長度之間的矛盾；同時通過設(shè)計、調(diào)整全內(nèi)反射波導的位置和方向，調(diào)制波導可以與不同位置的輸入輸出波導實現(xiàn)靈活連接。本器件結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、便于實現(xiàn)集成化，采用常規(guī)硅微電子加工工藝制作。
文檔編號G02F1/01GK1479136SQ0314141
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者林志浪, 張峰, 王永進, 程新利, 曹共柏 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究