CN1223881C - 结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器及制作方法，包含输入波导、输出波导、至少两个调制直波导，其特征在于以绝缘层上的硅(SOI)为基材料，每条调制波导有各自独立的载流子注入区域，调制波导之间的连接通过利用硅的各向异性腐蚀特性或反应离子刻蚀技术制得的全内反射波导实现，且两相邻调制波导的轴线相互垂直，在短距离、小面积范围内实现了调制波导的紧凑排列，解决了载流子吸收型硅波导光强度调制器的调制深度与器件长度之间的矛盾；同时通过设计、调整全内反射波导的位置和方向，调制波导可以与不同位置的输入输出波导实现灵活连接。本器件结构紧凑、尺寸小、便于实现集成化，采用常规硅微电子加工工艺制作。

Description

结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种光强度调制器及制作方法，特别是一种在绝缘层上的硅(SOI)材料上制作的载流子吸收型硅波导光强度调制器及制作方法，属于光通信器件领域。

背景技术

绝缘层上的硅(SOI)材料是微电子学领域一种极有前途的重要材料；在光通信领域，SOI光波导与成熟的硅微电子加工工艺完全兼容，且硅在光通信波长范围内是透明的。同时具备光子学和电子学的优异性能的SOI材料，将成为光电子集成***芯片(SOC)的主流材料。基于SOI材料的硅波导光器件的研发成为光电子集成(OEIC)研究工作的热点。

光调制器是光通信和光信息处理***的重要器件，特别是近年来高速光纤传输***的迅速发展，迫切要求高速光调制器与之适应。与体块型调制器相比较，光波导型调制器具有频带更宽、速率更高、功耗更低、体积重量更小以及便于实现集成化等优点(R.G.Hunsperger，Photonic Devices andSystems，New York，Marcel Dekker，Inc.，p.61，1994；叶培大，吴彝尊，光波导技术基本理论，人民邮电出版社，p.444，1981)。由于硅的中心反演对称性，硅的直接电光效应非常弱，因此SOI波导光调制器通常利用热光效应或等离子色散效应(自由载流子效应)实现调制。载流子吸收型硅波导光强度调制器是通过外加电场形成注入电流来增加半导体中自由载流子浓度，主要利用硅的等离子色散效应对光吸收的影响，实现对导波光的强度调制。由于可注入器件的电流密度的限制，硅调制波导获得的自由载流子浓度通常在1017/cm3的数量级上。在优化载流子注入结构以获得浓度较高、空间分布均匀的注入载流子的前提下，载流子吸收型硅波导光强度调制器要实现一定的调制深度必须有相当长的调制长度来保证。例如，根据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)，在波长λ＝1550nm，注入自由载流子浓度N＝1.0×1017/cm3时，被调制的硅波导可以获得约6.3dB/cm的光吸收系数α，实现95％的调制深度(约13dB)则要求调制器的调制长度至少为21mm。

普通结构的载流子吸收型硅波导光强度调制器受调制长度的限制，通常其调制深度不深(约几个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)所报道的，这大大制约了其在光波回路集成(PLC)中的应用。而若要获得深的调制深度，普通结构的载流子吸收型硅波导光强度调制器必然由于对调制长度的要求而导致器件长度较长，这不符合未来光网络的器件小尺寸化的要求，也影响了器件加工与常规硅微电子加工工艺设备的兼容性。

发明内容

鉴于普通结构的载流子吸收型硅波导光强度调制器的调制深度与器件长度之间的矛盾，大大制约了其自身的发展及在光波回路集成(PLC)中的应用。本发明的目的在于提供一种在绝缘层上的硅(SOI)材料上制作的结构紧凑的载流子吸收型硅波导光强度调制器及制作方法，在短距离、小面积范围内实现了调制波导的紧凑排列，确保了光强度调制器在较短的器件长度的条件下具备足够的调制长度与调制深度，解决了调制深度与器件长度之间的矛盾。本发明的目的是通过下面叙述的方式实现的。

以绝缘层上的硅(SOI)为基材料，包含输入波导、输出波导、至少两个调制直波导。在调制区内，每条调制波导有各自独立的载流子注入区域，调制波导之间的连接通过利用硅的各向异性腐蚀特性或反应离子刻蚀技术制得的全内反射波导实现，且两相邻调制波导的轴线相互垂直，在短距离、小面积范围内实现了调制波导的紧凑排列，从而解决了载流子吸收型硅波导光强度调制器的调制深度与器件长度之间的矛盾。通过设计、调整全内反射波导的位置和方向，使输入和输出波导在调制波导的同一侧或不同侧面，从而调制波导可以与不同位置的输入输出波导实现灵活连接。

输入输出波导、调制直波导均是SOI单模脊形光波导，全内反射波导是利用各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀技术制得的镜面平整且与脊形波导平面垂直的全反射镜凹槽。

采用常规硅微电子加工工艺，制作结构紧凑的载流子吸收型硅波导光强度调制器的具体步骤如下：

1、在绝缘层上的硅材料表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

2、光刻腐蚀出全内反射镜凹槽的图形。

3、在硅的各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀制作出全反射镜凹槽，或利用反应离子刻蚀技术制作出全内反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在部分进入底部绝缘层(二氧化硅埋层)为止。

4、在刻蚀了全内反射镜凹槽的材料器件层表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

5、光刻腐蚀出输入输出波导、调制波导的图形。

6、各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀出输入输出波导、调制波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件。

7、去二氧化硅或氮化硅。

8、采用套刻、离子注入、热蒸发电极、刻蚀电极等工艺，制作出调制波导各自独立的载流子注入区域。

还可以采用下述制作步骤：

1、在绝缘层上的硅材料表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

2、光刻腐蚀出输入输出波导、调制波导的图形。

3、各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀出输入输出波导、调制波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件。

4、在刻蚀了输入输出波导、调制波导的材料器件层表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

5、光刻腐蚀出全内反射镜凹槽的图形。

6、在硅的各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀制作出全反射镜凹槽，或利用反应离子刻蚀技术制作出全内反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在部分进入底部绝缘层(二氧化硅埋层)为止。

7、去二氧化硅或氮化硅。

8、采用套刻、离子注入、热蒸发电极、刻蚀电极等工艺，制作出调制波导各自独立的载流子注入区域。

本发明提供的方法具有如下优点：

1、通过全内反射波导，在短距离、小面积范围内实现了调制波导的紧凑排列，确保了载流子吸收型硅波导光强度调制器在较短的器件长度的条件下具备足够的调制长度与调制深度，解决了调制深度与器件长度之间的矛盾。

2、每条调制波导有各自独立的载流子注入区域，且调制长度可以各不相同，载流子注入结构也可以各不相同，通过选择调制对象可以满足不同的调制要求。

3、通过设计、调整全内反射波导的位置和方向，调制波导可以与不同位置的输入输出波导实现灵活连接，便于实现集成化。

4、器件结构紧凑、尺寸小，制作工艺与硅微电子加工工艺完全兼容。

附图说明

图1是本发明的一个结构示意图。

图2是图1的一个全内反射波导的放大示意图。

图3是在绝缘层上的硅材料上制作的一个结构紧凑的且输入和输出波导在调制波导的同一侧的载流子吸收型硅波导光强度调制器的示意图。

图4是在绝缘层上的硅材料上制作的一个结构紧凑的且输入和输出波导在调制波导的不同侧面的载流子吸收型硅波导光强度调制器的示意图。

图中，1为输入波导；2为输出波导；3为调制波导；4为调制区；5为载流子注入区域；6为全内反射波导。

具体实施方式

下面的实施例结合附图将有助于理解本发明，但本发明并不局限于此。

实施例1是在顶层硅厚度为8μm的SOI外延片上，制作的一个结构紧凑的且输入和输出波导在调制波导的同一侧的载流子吸收型硅波导光强度调制器。

图3是该调制器的示意图。该调制器的器件总长度为15.0mm，包含输入波导1，输出波导2，三个调制波导3，两个全内反射波导6；输入波导1、输出波导2均在调制波导的左侧；在调制区4内，调制波导的轴线两两相互垂直；每个调制波导3的调制长度均为8.0mm，载流子注入区域5均采用PIN二极管的载流子注入结构，能够获得的空间分布均匀的最大注入载流子浓度为N＝1.0×10¹⁷/cm³；调制任意一个调制波导可以实现的最大调制深度为68.4％(约5dB)，调制任意两个调制波导可以实现的最大调制深度为90.0％(约10dB)，该光强度调制器的最大调制深度为96.8％(约15dB)。

该器件的具体制作步骤如下：

1、在顶层硅厚度为8μm的SOI外延片的表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

2、光刻腐蚀出全内反射镜凹槽的图形。

3、在硅的各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀制作出全反射镜凹槽，腐蚀深度约为8.2μm。

4、在刻蚀好全内反射镜凹槽的材料器件层表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

5、光刻腐蚀出输入输出波导、调制波导的图形。

6、反应离子刻蚀出输入输出波导、调制波导，刻蚀深度约为3μm，满足波导单模条件。

7、去二氧化硅或氮化硅。

8、采用套刻、离子注入、热蒸发电极、刻蚀电极等工艺，制作出调制波导各自独立的载流子注入区域。

实施例2是在顶层硅厚度为6μm的SOI外延片上，制作的一个结构紧凑的且输入和输出波导在调制波导的不同侧面的载流子吸收型硅波导光强度调制器。

图4是该调制器的示意图。该调制器的器件总长度为10mm，包含输入波导1，输出波导2，两个调制波导3，一个全内反射波导6；输入波导1在调制波导的左侧，输出波导2在调制波导的下侧；在调制区4内，调制波导的轴线两两相互垂直；与输入波导相连接的调制波导的调制长度为4.8mm，载流子注入区域5采用PIN二极管的载流子注入结构，能够获得的空间分布均匀的最大注入载流子浓度为N＝2.0×10¹⁷/cm³，调制其可以实现的最大调制深度为74.9％(约6dB)；而与输出波导相连接的调制波导的调制长度为4mm，载流子注入区域采用P⁺N结的载流子注入结构，能够获得的空间分布均匀的最大注入载流子浓度为N＝3.0×10¹⁷/cm³，调制其可以实现的最大调制深度为82.2％(约7.5dB)，该光强度调制器的最大调制深度为95.5％(约13.5dB)。

该器件的具体制作步骤如下：

1、是在顶层硅厚度为6μm的SOI外延片的表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

2、光刻腐蚀出输入输出波导、调制波导的图形。

3、各向异性湿法腐蚀出输入输出波导、调制波导，腐蚀深度约为2um，满足波导单模条件。

4、在刻蚀好输入输出波导、调制波导的材料器件层表面生长一层二氧化硅或氮化硅。

5、光刻腐蚀出全内反射镜凹槽的图形。

6、利用反应离子刻蚀技术制作出全内反射镜凹槽，刻蚀深度约为6.2μm。

7、去二氧化硅或氮化硅。

8、采用套刻、离子注入、热蒸发电极、刻蚀电极等工艺，制作出调制波导各自独立的载流子注入区域。

Claims (6)

1、一种结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器，以绝缘层上的硅为基材料，包含输入波导、输出波导、至少两个调制波导，其特征在于：每个调制波导有各自独立的载流子注入区域，调制波导之间的连接通过利用硅的各向异性腐蚀特性或反应离子刻蚀技术制得的全内反射波导实现，且两相邻调制波导的轴线相互垂直；所述的输入和输出波导及调制波导是SOI单模脊形光波导。

2、按权利要求1所述的结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器，其特征在于输入和输出波导在调制波导的同一侧面或不同侧面。

3、按权利要求1或2所述的结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器，其特征在于包含输入波导、输出波导、三个调制波导、二个全内反射波导；输入和输出波导均在调制波导的左侧，在调制区内，相邻的调制波导的轴线相互垂直；载流子注入区域采用PIN二极管的载流子注入结构。

4、按权利要求1或2所述的结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器，其特征在于包含输入波导、输出波导、二个调制波导、一个全内反射波导；输入波导在调制波导左侧，输出波导在调制波导的下侧；在调制区内，调制波导轴线两两相互垂直，载流子注入区域采用PIN二极管的载流子注入结构。

5、制作如权利要求1所述的结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器的方法，其特征在于：

1)在绝缘层上的硅材料表面生长一层二氧化硅或氮化硅；

2)光刻腐蚀出全内反射镜凹槽的图形；

3)在硅的各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀制作全反射镜凹槽，或利用反应离子刻蚀技术制作出全内反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在进入底部二氧化硅埋层；

4)在刻蚀好全内反射镜凹槽的材料器件层表面生长一层二氧化硅或氮化硅；

5)光刻腐蚀出输入输出波导、调制波导的图形；

6)各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀出输入输出波导、调制波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件；

7)去二氧化硅或氮化硅；

8)采用套刻、离子注入、热蒸发电极、刻蚀电极工艺，制作出调制波导各自独立的载流子注入区域。

6、制作如权利要求1所述的结构紧凑的载流子吸收型光强度调制器的方法，其特征在于：

1)在绝缘层上的硅材料表面生长一层二氧化硅或氮化硅；

2)光刻腐蚀出输入输出波导、调制波导的图形；

3)各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀出输入输出波导、调制波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件；

4)在刻蚀了输入输出波导、调制波导的材料器件层表面生长一层二氧化硅或氮化硅；

5)光刻腐蚀出全内反射镜凹槽的图形；

6)在硅的各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀制作出全反射镜凹槽，或利用反应离子刻蚀技术制作出全内反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在进入底部二氧化硅绝缘埋层；

7)去二氧化硅或氮化硅；

8)采用套刻、离子注入、热蒸发电极、刻蚀电极工艺，制作出调制波导各自独立的载流子注入区域。

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