基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关的制作方法

1.本发明涉及光开关技术领域，具体是涉及一种基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关。


背景技术：

2.大数据时代的到来，推动了高速数据传输在长途光通信链路、短距离数据中心、高性能计算系统乃至芯片间和芯片内光互连等领域的快速发展。随着数据中心集群交换机内数据速率的增加，现有的电交换系统面临功耗和延迟等各方面挑战，越来越依赖高容量的光互连来实现在众多服务器、内存和计算资源之间的通信连接。光开关作为光互连网络中的关键一环，研制高速、低损耗、低功耗、高传输带宽的大规模光开关对于未来数据中心网络的发展具有重要意义。硅基光子器件的制造工艺与成熟的cmos工艺兼容，从而具有小尺寸、低功耗、低成本等优势，具备集成实现大规模光开关的潜力。
3.近年来，硅基光开关得到了广泛的研究。硅基光开关单元主要包括马赫-曾德尔干涉仪和微环谐振器两种结构。基于马赫-曾德尔干涉仪的光开关具有大传输带宽，可以实现多个通道的开关切换，但实现光开关状态切换所需要的移相器尺寸较大。与之相比，基于微环谐振器的光开关因其谐振特性具有小尺寸、低功耗等优势，更适用于大规模扩展。但微环的谐振波长容易受工艺误差和环境温度的影响，在实际应用中需要对微环进行动态反馈调节。单个微环的传输谱线为洛伦兹型，带宽较窄，为提高频谱带宽可以采用多个微环串联或并联级联的结构，但会增加结构复杂度和加工难度。氮化硅波导和硅波导相比，和包层材料的折射率对比度小，因此波导尺寸的制备容差大，而且氮化硅的热光系数较小，对温度不敏感，可用于解决硅基微环光开关面临的问题。氮化硅波导能够与硅基光电子常用的绝缘体上硅集成，为硅光器件设计提供了一个新的维度。
4.大规模光开关由若干个单元器件组成，单元器件之间通过波导连接。当单元器件的规模达到一定程度时，连接波导之间不可避免的会产生大量的波导交叉，光场在波导交叉区域发生散射，导致严重的损耗和串扰。多伦多大学的研究人员提出了多层硅基氮化硅集成平台，通过在硅波导层上集成两层氮化硅波导，利用硅波导和顶层氮化硅波导的间距来实现低损耗的波导交叉，并用中间层的氮化硅波导来实现光信号在三层波导间的传输。利用上述硅-氮化硅立交桥式的波导交叉方案，损耗相较于传统的平面波导交叉优化结果降低一个数量级。日本先进工业研究院和哥伦比亚大学的研究人员先后报道了基于硅-氮化硅集成平台上的光开关，但由于仅用一层氮化硅波导难以同时实现低损耗的波导交叉和高效的层间传输，没能体现优势。
5.多层硅基氮化硅集成平台的出现，对于解决大规模光开关的诸多问题是非常有利的，但现有的实施方案尚不成熟，暂时没有充分发挥该集成平台优势的光开关设计方案。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于硅-氮化硅三维集成的掺
杂硅加热器型微环光开关。该光开关结构简单，稳定性好，不需要额外的功耗来补偿工艺误差，易于扩展成大规模光开关。本发明能够充分发挥三维集成平台的优势，同时实现低损耗的无源器件和高性能的有源器件，有利于推进片上光电子集成器件的发展。
7.本发明所采用的技术方案为：
8.一种基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于在硅波导上集成两层氮化硅波导，波导层之间通过二氧化硅隔离；所述的硅波导按横向排布，顶层氮化硅波导按纵向排布，构成三维波导交叉结；利用所述的中间层氮化硅波导弯曲成环形并串联多个构成级联微环，分别与横向的硅波导和纵向的顶层氮化硅波导通过竖向耦合构成三维集成级联微环谐振器；利用所述的中间层氮化硅波导弯曲90
°
构成转向波导，分别连接氮化硅-氮化硅波导层间耦合器和氮化硅-硅波导层间耦合器与顶层氮化硅波导和硅波导进行连接，实现光信号在三维结构中的传输；利用所述的硅波导在中间层氮化硅微环下方形成环形结构并进行掺杂，构成波导型微加热器，通过给波导型微加热器加电产生热量，改变中间层氮化硅微环的谐振波长。
9.所述的硅波导和氮化硅波导均工作在单模条件。
10.所述的硅波导和中间层氮化硅波导在高度方向上小于0.5μm，两层氮化硅波导在高度方向上小于0.5μm，硅波导和顶层氮化硅波导在高度方向间距大于0.8μm，确保三维波导交叉结损耗低。
11.所述的波导层间耦合器由不同高度的两个反向锥形波导构成，采用倏逝波耦合原理，设计两个锥形波导的宽度和长度，可以实现低损耗的层间耦合。
12.所述的三维集成级联微环谐振器包含多个氮化硅微环，通过设计氮化硅微环间耦合系数，氮化硅微环和硅波导、顶层氮化硅波导的耦合系数来实现平坦的光谱响应，并增加器件的工作带宽。
13.所述的波导型微加热器直接由硅波导掺杂构成，其结构同样成微环结构，尺寸略比氮化硅微环小，实现低功耗热移相。
14.所述的波导型微加热器，通过在加热区波导附近刻蚀空气槽，可以减少热量向周围扩散，还可以进一步刻蚀掉波导下方的硅衬底来防止热量从衬底散失。
15.所述的氮化硅微环，弯曲半径比硅波导要大，可以通过曲率半径渐变的euler型弯曲设计来进一步的缩小尺寸。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
17.1)利用氮化硅材料制作微环谐振器，工艺容差大且温度不敏感，不需要额外的功耗来对光开关的状态进行校准；
18.2)充分发挥硅-氮化硅三维集成的优势，可以实现低损耗的无源器件，包括波导交叉结和波导层间耦合器，并能直接对硅波导掺杂形成加热器，有效提高热调谐效率；
19.3)本发明的光开关结构简单，易于扩展，非常适合利用交叉连接方式来实现大规模光开关。
附图说明
20.图1为本发明的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关结构示意图；
21.图2为本发明的三维硅-氮化硅波导交叉结的结构示意图；
22.图3为本发明的三维集成级联微环谐振器中的波导耦合器结构示意图；
23.图4为本发明的90
°
转向三维波导层间耦合器结构示意图；
24.图5为本发明的移相器截面结构示意图；
25.图6为本发明的光开关工作原理示意图。
具体实施方式
26.下面结合实例对本发明做出进一步说明，本实例只用于对本发明进行详细的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
27.如图1所示，本发明提出了一种基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关。在硅波导(101)上集成两层氮化硅波导(102、103)，波导层之间通过二氧化硅隔离；硅波导(101)按横向排布，顶层氮化硅波导(103)按纵向排布，构成三维波导交叉结(201)；硅波导(101)的一端作为光信号的输入端，另一端作为直通端；中间层氮化硅波导(102)通过90
°
弯曲构成氮化硅转向波导(104)，通过360
°
弯曲构成氮化硅微环(105)；顶层氮化硅波导(103)的一端通过氮化硅-氮化硅波导层间耦合器(202)与氮化硅转向波导(104)相连，氮化硅转向波导(104)通过氮化硅-硅波导层间耦合器(203)与另一条硅波导(101)的一端相连，该硅波导(101)的另一端作为交叉端；所述的顶层氮化硅波导(103)的另一端通过氮化硅-氮化硅波导层间耦合器(202)与氮化硅转向波导(104)相连，该氮化硅转向波导(104)通过氮化硅-硅波导层间耦合器(203)与另一条硅波导(101)的一端相连，该硅波导(101)的另一端作为上载端；n个所述的氮化硅微环(105)串联构成级联氮化硅微环(301)，n≥1；利用所述的硅波导(101)在所述的氮化硅微环(105)下方弯曲成环形并进行掺杂，构成波导型微加热器(302)，通过给波导型微加热器(302)加电产生热量，改变氮化硅微环(105)的谐振波长，进而对工作波长上的光信号实现开关切换。
28.下面为一个具体的实施例：
29.所述的硅波导和氮化硅波导均为单模工作，设计支持横电模(te)基模传输，工作在c波段的硅波导常规尺寸为500nm
×
220nm，氮化硅波导常规尺寸为1μm
×
400nm。
30.图2为本发明的三维硅-氮化硅波导交叉结，交叉区域由展宽的硅脊形波导和顶层氮化硅条形波导构成，利用两层波导之间较大的间距可以减弱光场的扩散。在四个端口处利用锥形波导将宽波导过渡到单模波导，缓慢改变波导的有效折射率。
31.在三维集成级联微环谐振器结构中，直波导与微环、微环与微环之间通过定向耦合器进行耦合。硅直波导与中间层氮化硅微环耦合的结构如图3(a)所示，由于常规尺寸硅波导与氮化硅波导的有效折射率差别较大，不利于两层波导之间的耦合，利用锥形波导来减小硅波导宽度，减弱其对光场的束缚能力，使硅波导与氮化硅微环中的模场能够通过倏逝波进行相互作用，进而从硅直波导耦合进入中间层氮化硅微环中。类似的，中间层氮化硅微环之间以及中间层氮化硅微环和顶层氮化硅直波导均通过倏逝波耦合，结构分别见图3(b)、(c)。
32.考虑到微环容易受工艺误差影响，本实施例在衡量器件的工作带宽与工艺误差情况下将串联氮化硅微环的个数设置为n＝2。利用传输矩阵方法，设计硅波导与氮化硅微环、氮化硅微环之间、氮化硅微环与顶层氮化硅波导三处的耦合系数，由此获得较大的带宽，提高器件性能。
33.图4为本发明的一种90
°
转向的三维波导层间耦合器结构，包括两个层间耦合器(202、203)和氮化硅转向波导(104)。硅波导和顶层氮化硅波导分别按照横向和纵向排布，利用中间层的氮化硅波导完成90
°
转向，并在任意两个相邻波导层之间用两个相反方向的锥形波导结构来完成模场耦合，实现光信号在三层波导之间传输。
34.图5(a)为本发明的移相器截面结构示意图。直接在氮化硅微环的下方对环形硅波导进行轻掺杂，在掺杂硅波导的两端施加电压使之成为热源，热量传导给中间层的氮化硅微环，通过调节微环的谐振波长来对工作波长上的光信号实现开关切换。通过在加热区波导附近刻蚀空气槽，可以减少热量向周围扩散(图5(b))，还可以进一步刻蚀掉波导下方的硅衬底来防止热量从衬底散失(图5(c))。利用底层硅波导掺杂形成的微加热器相比于氮化钛金属加热器(图5(d))的热调效率更高。该移相器的响应速度在百微秒量级。
35.氮化硅作为波导材料，其有效折射率比硅小，对光场的束缚能力要弱，可以缓解侧壁粗糙导致的传输损耗。但对应的波导弯曲半径会更大，常规1μm
×
400nm尺寸的氮化硅波导半径为60μm，本实例通过设计曲率半径渐变的euler型弯曲波导来进一步减小弯曲半径。
36.图6为本发明的光开关工作原理示意图。当工作波长的光信号和微环的谐振波长不匹配时，光信号沿原路径传输经过波导交叉最终从直通端口输出，此时光开关工作在“off”状态。利用掺杂硅加热器调节微环的谐振波长与工作波长的光信号匹配时，光信号从硅波导耦合进入中间层的氮化硅微环，然后耦合进入顶层氮化硅波导中，经过波导交叉之后完成连续的波导层间转换，最终从交叉端口输出，此时光开关工作在“on”状态。本发明提出的光开关工作在“on”状态时，支持两路工作波长上光信号同时传输，利用微环的交叉端/上载端分别沿着顺时针和逆时针方向对两束光信号进行并行处理，可以增加传输的信号容量。
37.以上陈述仅是本发明的一个具体实施例，本领域的相关研究人员应该理解，这些仅是举例说明，根据本发明的原理，可以在此实施方式的基础上做出进一步的更改。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求书来限定。