一种超大消光比的硅基电光开关单元设计方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种超大消光比的硅基电光开关单元设计方法。


背景技术：

2.硅基光子集成，具有与传统的互补金属氧化物半导体工艺兼容、低成本、小尺寸和低功耗等优点，是制备光子器件较为成熟的集成平台。硅基光交换器件，是实现光信号直接切换的核心器件。因大规模集成的需求及波长和模式资源的受限，目前研究较多的光交换器件是路径切换式光开关阵列。对于硅基开关阵列中基本的开关单元，马赫-曾德干涉型(mzi)光开关单元因具有带宽较大、对温度变化和工艺误差不敏感等优点，是光开关单元常用的物理结构。相比微秒级切换速度及高功耗的热光调制，电光调制方式能满足纳秒级的切换时间要求，仅需几毫瓦的功率，在多数应用场景中往往具有更大的吸引力。因此高速、低功耗、宽带及工艺和温度不敏感的硅基mzi型电光开关单元，是构建更大规模高速开关阵列的常用单元器件。硅基mzi型电光开关单元一般基于硅的自由载流子等离子体色散效应实现相位调制。当单臂驱动的开关单元处于开态时，pin结掺杂区的载流子在电压驱动下注入波导，高效提升波导中的离子浓度，从而改变波导折射率并引入相移；但由于自由载流子注入附加的吸收效应，相移臂的损耗随驱动电压增大而显著增加，造成开关单元工作时两臂损耗的不平衡，极大地增大了开关单元输出端口间的串扰，减小了开关单元的消光比。一种常见的解决方案是将开关单元的驱动方式由单臂驱动改为推挽驱动，减小开关状态切换时相移臂所需的相位变化与驱动电压，从而减小自由载流子注入带来的吸收损耗，但该种方案中，每种状态下仍只有一臂工作，相比单臂驱动，两相移臂的损耗差减小但未消除，消光比也一般低于30db，不利于传输信号的完整性和独立性，仍无法满足实际应用的串扰要求。另有方案中，通过特殊的网络结构组建光开关单元，显著提升了消光比，但由于单元器件数量成倍增加并引入交叉等其他器件，损耗急剧增加，控制较为复杂，尤其在扩展开关阵列的端口数后，极不利于系统的集成。
3.综上，提出一种提高硅基mzi型电光开关单元的消光比并减小路径间串扰的全新方案，是非常必要的。


技术实现要素：

4.本发明采取一个以上pin结相移臂形成移相器，通过设置pin结相移臂中pin结的方向，控制pin结在开关单元两种状态下的开启或截止，使光束经移相器调制后，既能实现开关单元状态切换所需相位差，又能保持光束强度相等，从而提供了一种超大消光比的硅基电光开关单元设计方法。
5.一种超大消光比的硅基电光开关单元设计方法，包括以下步骤：
6.1)采用硅基电光开关单元，包括：
7.设置开关单元所处材料平台；
8.设置所述材料平台上的m输入n输出马赫-曾德干涉型(mzi)电光开关单元；
9.设置在电光开关单元中的若干移相器，每个移相器包括一个以上的pin结相移臂；
10.2)确定硅基电光开关单元状态切换时移相器间的相位差，同时满足移相器的损耗相等，计算获得每个移相器上的每个pin结相移臂的长度。
11.一、当所述的硅基电光开关单元包括与所述移相器连接的相位偏置器件时，确定硅基电光开关单元的状态切换时移相器间的相位差，同时满足移相器损耗相等，计算获得每个移相器上的每个pin结相移臂的长度。
12.当所述的硅基电光开关单元为两输入两输出即2
×
2，并且与所述移相器连接的相位偏置器件的相位偏置为π/2时，基于本发明的一种方案中，所述的移相器为两个相同的移相器，掺杂配置完全相同，每个移相器上有两个pin结相移臂，为输入端pin结相移臂和输出端pin结相移臂，输入端pin结相移臂的长度为l1(v)，输出端pin结相移臂的长度为l2(v)。其中，掺杂配置包括pin结相移臂长度、掺杂浓度和掺杂距离等参量。
13.在开关单元的两种状态下，两个移相器中pin结相移臂的状态互换，每个移相器均只有一个pin结相移臂的pin结开启，且两个移相器开启的pin结相移臂不同。在两种状态对应的驱动电压下，两个移相器的相位差为
±
π/2，同时两个移相器引入相同的损耗，因此相位相同、光强相等的两束光各经过一个移相器调制后，光强仍相等，相位差为
±
π/2，经输出端3db分束器后，既实现开关状态的切换，也因两移相器损耗相等而得到理论上无穷大的消光比。
14.确定硅基电光开关单元的状态切换时两个移相器的相位差为
±
π/2，同时满足两个移相器损耗相等，计算获得每个移相器上的两个pin结相移臂的长度l1(v)、l2(v)，具体包括：
[0015][0016][0017]
其中λ为入射光波长，v为驱动电压；l1(v)、l2(v)分别是输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂的长度，
△
n1(v)、
△
n2(v)分别是在驱动电压下输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料中基模的有效折射率变化值，α1(v)(cm-1
)、α1(-v)(cm-1
)为在驱动电压下输入端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，α2(v)(cm-1
)、α2(-v)(cm-1
)为在驱动电压下输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，以上参数与驱动电压v相关。
[0018]
根据传输矩阵分析法，可得到相位偏置器件的相位偏置为π/2的硅基电光开关单元在两种状态下的消光比xt1趋近于无穷，并满足以下关系：
[0019]
二、当所述的硅基电光开关单元不包括相位偏置器件时，确定硅基电光开关单元的状态切换时移相器间的相位差，同时满足移相器损耗相等，计算获得每个移相器上的每
个pin结相移臂的长度。
[0020]
当所述的硅基电光开关单元为两输入两输出即2
×
2，并且不包括相位偏置器件时，基于本发明的一种方案中，所述的移相器为两个相同的移相器，每个移相器有两个pin结相移臂，为输入端pin结相移臂和输出端pin结相移臂，输入端pin结相移臂的长度相等为l3(v)，输出端pin结相移臂的长度相等为l4(v)。
[0021]
未加驱动电压时，所有pin结相移臂的pin结均截止，引入的相位和损耗一致，实现开关单元的关态，并具有超大消光比；加开态驱动电压时，每个移相器均只有一个pin结相移臂的pin结开启，并且两个移相器开启的pin结相移臂不同，两移相器的相位差为π，同时引入相同的损耗，实现开关的开态。
[0022]
确定硅基电光开关单元的状态切换时两个移相器的相位差为0或π，同时满足两个移相器损耗相等，计算获得每个移相器上的每个pin结相移臂的长度，具体包括：
[0023][0024][0025]
其中λ为入射光波长，v为驱动电压；l3(v)、l4(v)分别是输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂的长度，
△
n3(v)、
△
n4(v)分别是在驱动电压下输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料中基模的有效折射率变化值。α3(v)(cm-1
)、α3(-v)(cm-1
)为在驱动电压下输入端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，α4(v)(cm-1
)、α4(-v)(cm-1
)为在驱动电压下输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，以上参数与驱动电压v相关。
[0026]
由此可得到不包括相位偏置器件的硅基2
×
2电光开关单元在两种状态下的消光比xt2趋近于无穷，并满足以下关系：
[0027][0028]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0029]
本发明采用了一个以上相移臂形成移相器，通过设置pin结相移臂中pin结的方向，决定pin结在正负驱动电压下的开启或截止，可在不显著增加开关单元尺寸的基础上，使移相器既满足硅基光开关单元状态切换时相位差的要求，又能保持两移相器引入损耗的一致，因此在实现开关状态切换的同时，也得到理论上无穷大的消光比，极大减小了开光单元两输出端口间的串扰，有助于信息传输的完整性和独立性。此外，本发明可改变移相器中相移臂的数目，或采用不同的掺杂配置，如调整pin结相移臂的掺杂浓度、掺杂到波导的距离、掺杂区域臂长等参数，得到多样的设计组合方案，为超大消光比硅基电光开关单元的设计提供了极高的自由度和灵活性。因此本发明可提供一种设计简单、易于集成的超大消光比硅基电光开关单元设计方法。
附图说明
[0030]
图1是相位偏置为π/2的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的技术路线图；
[0031]
图2是相位偏置为π/2的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的一种三维结构图；
[0032]
图3是相位偏置为π/2的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的一种移相器的掺杂配置示意图；
[0033]
图4为相位偏置为π/2的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的一组静态响应仿真曲线；
[0034]
图5为无相位偏置器件的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的技术路线图；
[0035]
图6为无相位偏置器件的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的一组静态响应仿真曲线。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施的目的、技术方案更加清楚，下面将结合图片，对本发明实施中的技术方案进行清楚的描述。
[0037]
实施例一：
[0038]
当硅基电光开关单元为两输入两输出即2
×
2，并且与所述移相器连接的相位偏置器件的相位偏置为π/2时，本发明针对其实现超大消光比的技术路线如图1所示。
[0039]
首先单端口入射光经输入端3db分束器及相位偏置器件后，形成强度相等、相位相同的两束输出光；两束光分别经光开关的一个移相器调制后，相位差变为
±
π/2，各自的光强有所衰减但仍相等；随后经输出端3db合束器，即可切换至开关的两种状态，同时实现超大消光比。本实施例的关键在于采取一个以上特殊掺杂配置的pin结相移臂形成移相器，使两移相器提供开关单元状态切换所需相位差的同时，引入相同的损耗。其中，掺杂配置包括pin结相移臂长度、掺杂浓度、掺杂距离等参量。
[0040]
下面结合相位偏置为π/2的硅基2
×
2mzi型电光开关单元的具体结构，进行详细阐述。
[0041]
图2是相位偏置为π/2的超大消光比硅基2
×
2电光开关单元的一种三维结构图。开关单元所处材料平台为绝缘体上硅(soi)平台，包括硅衬底1，硅衬底1上设置有埋氧层2和硅芯层平板波导3、硅芯层脊波导4和包层15。硅基2
×
2电光开关单元，包括：设置在平板波导3上的输入波导5；与输入波导5连接的输入端分束器7；设置在平板波导3上的移相器11和移相器12；设置在分束器7与移相器11之间的相位偏置器件9；移相器11和移相器12分别有两个pin结相移臂，输入端pin结相移臂和输出端pin结相移臂，pin结相移臂掺杂区域为13和14，移相器11的pin结相移臂和移相器12的pin结相移臂之间设置有隔离槽10；移相器11和移相器12与输出端合束器8连接，输出端合束器8连接有输出波导6。
[0042]
值得注意的是，图2中输入端分束器7和输出端合束器8以3db多模干涉耦合器(mmi)为例，此外，还可选择定向耦合器等分合束器件。相位偏置器件9以楔形结构为例，还有其他的设计方法。
[0043]
入射光从左上端口输入时，输入端mmi的两输出端口的光束强度相等、相位差为-π/2，引入相位偏置器件以抵消输入端mmi固有的相位差，经其输出后两光束强度、相位均一致。当移相器11与移相器12相位差为-π/2时，光束从开关单元的交叉端口输出，实现关态；
当移相器11与移相器12的相位差为π/2时，光从开关单元的直通端口输出，实现开态。
[0044]
移相器11和12的掺杂配置如图3所示。上移相器由输入端pin结相移臂
①
和输出端pin结相移臂
②
组成，两个pin结相移臂中的pin结开启后电流方向相反；下移相器由输入端pin结相移臂
③
和输出端pin结相移臂
④
组成，两个pin结相移臂中的pin结开启后的电流方向相反。输入端pin结相移臂
①
和
③
的掺杂配置一致为p1/n1，pin结开启后的电流方向相同；输出端pin结相移臂
②
和
④
的掺杂配置一致为p2/n2，开启后的电流方向相同。应当注意，本实施例只是实现超大消光比功能的一种组合掺杂方式，改变每个移相器上的pin结相移臂的数目或改变掺杂配置，有多种可替代的方案。
[0045]
当信号电极施加正压时，输入端pin结相移臂
①
和输出端pin结相移臂
④
的pin结开启，输出端pin结相移臂
②
和输如端pin结相移臂
③
的pin结截止，若上相移器与下相移器的相位差为-π/2，开关切换到关态(cross)，且当两臂损耗相同时，能实现超大的消光比；同理，当信号电极施加负压时，输出端pin结相移臂
②
和输入端pin结相移臂
③
开启，输入端pin结相移臂
①
和输出端pin结相移臂
④
截止，当上下两移相器的相位差为π/2，开关切换到开态，同时两移相器损耗相同，即可实现超大消光比。本实施例中，开关单元的两种状态下两个移相器中pin结相移臂的工作状态是互换的，因此两种状态下的性能指标是一致的。
[0046]
实现超大消光比电光开关需满足以下两个公式：
[0047]
1、两个移相器相位差为π/2，对应公式如下：
[0048][0049]
其中λ为入射光波长，v为驱动电压，l1(v)、l2(v)分别是输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂的长度，
△
n1(v)、
△
n2(v)分别是在驱动电压下输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料中基模的有效折射率变化值。
[0050]
2、两个移相器引入的损耗相等，对应公式如下：
[0051][0052]
其中，α1(v)(cm-1
)、α1(-v)(cm-1
)为驱动电压下输入端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，α2(v)(cm-1
)、α2(-v)(cm-1
)为在驱动电压下输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，对应基模有效复折射率虚部，受掺杂配置影响，同时与驱动电压成正相关。上式可简化为：
[0053]
α1(v)l1(v) α2(-v)l2(v)＝α2(v)l2(v) α1(-v)l1(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
在固定的波导结构和掺杂配置下，当驱动电压确定时，
△
n1(v)、
△
n2(v)、α1(v)、α1(-v)、α2(v)、α2(-v)均为确定值，公式(1)(3)可理解为关于l1(v)、l2(v)的二元一次方程组，进而可解得l1(v)、l2(v)的值。
[0055][0056]
[0057]
运用光学传输矩阵方法分析mzi结构的光学特性，得到开关单元的消光比xt1满足以下关系：
[0058][0059]
结合公式(3)可得，xt1→
∞
[0060]
对于相位偏置为π/2的硅基2
×
2电光开关单元，以下基于l1(v)、l2(v)一组数值解，仿真得到开关单元的一组静态响应曲线，如图4所示，图中1、2分别为直通、交叉端口光功率随驱动电压的变化曲线。可得到光开关单元的串扰小于-73db，消光比大于73db，比常规的光开关单元设计具有明显的优势。应当注意，满足条件的l1(v)、l2(v)的数值解不只一种。
[0061]
实施例二：
[0062]
当硅基电光开关单元为两输入两输出即2
×
2，并且不包括相位偏置器件时，本发明针对其实现超大消光比的技术路线如图5所示。
[0063]
首先入射光经输入端3db分束器后，形成强度相等、相位差为-π/2的两束输出光；由于两个移相器间的相位差为0或π，当两束光分别经光开关的一个移相器调制后，相位差变为-π/2或π/2，光强仍相等；随后经输出端3db合束器，即可切换至开关的两种状态，同时实现超大消光比。本实施例的关键在于采取一个以上特定掺杂配置的pin结相移臂形成移相器，使两移相器提供开关单元状态切换所需相位差的同时，引入相同的损耗。其中，掺杂配置包括pin结相移臂长度、掺杂浓度、掺杂距离等参量。
[0064]
对应的硅基mzi型电光开关单元的具体结构可参考图2，除去相位偏置器件9即可。入射光从左上端口输入时，3db mmi两输出端口的光束有-π/2的相位差，当两个移相器引入相位一致时，实现交叉输出；当两个移相器相位相差π时，实现直通输出。
[0065]
两个移相器的掺杂配置可参考图3。其中输入端pin结相移臂
①
和
③
的掺杂配置一致为p3/n3，输出端pin结相移臂
②
和
④
的掺杂配置一致为p4/n4。应当注意，本实施例只是实现超大消光比功能的一种组合掺杂方式，改变每个移相器上的pin结相移臂的数目或改变掺杂配置，有多种可替代的方案。
[0066]
当信号电极无驱动电压时，pin结相移臂
①②③④
的pin结均截止，两个移相器上的pin结相移臂完全对称，引入的损耗和相位完全相同，开关切换到关态(cross)，并实现超大消光比；信号电极施加正压时，输入端pin结相移臂
①
和输出端pin结相移臂
④
开启，输出端pin结相移臂
②
和输入端pin结相移臂
③
截止，当上移相器与下移相器的相位差为π时，开关切换到开态(bar)，且当两臂损耗相同时，能实现超大的消光比；因此实现超大消光比电光开关需满足公式：
[0067]
1、开态时两个移相器相位差为π。
[0068][0069]
其中λ为入射光波长，v为驱动电压，l3(v)、l4(v)分别是输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂的长度，
△
n3(v)、
△
n4(v)分别是在驱动电压下输入端pin结相移臂、输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料中基模的有效折射率变化值，与基模复有效折射率的实部有关。
[0070]
2、两臂损耗相等。
[0071][0072]
其中，α3(v)(cm-1
)、α3(-v)(cm-1
)为驱动电压下输入端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数，α4(v)(cm-1
)、α4(-v)(cm-1
)为在驱动电压下输出端pin结相移臂芯层硅材料中载流子浓度变化时材料对基模的吸收系数。上式可简化为：
[0073]
α3(v)l3(v) α4(-v)l4(v)＝α4(v)l4(v) α3(-v)l3(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0074]
在固定的波导结构和掺杂配置下，当驱动电压确定时，
△
n3(v)、
△
n4(v)、α3(v)、α3(-v)、α4(v)、α4(-v)均为确定值，公式(7)(9)可理解为关于l3(v)、l4(v)的二元一次方程组，进而可解得l3(v)、l4(v)的值。
[0075][0076][0077]
运用传输矩阵分析法，得到消光比xt2满足以下关系：
[0078][0079]
结合公式(9)可得，xt2→
∞
[0080]
对于无相位偏置器件的光开关单元，以下基于l3(v)、l4(v)的一组数值解，仿真得到开关单元的静态响应曲线，如图6所示，图中1、2分别为直通、交叉端口光功率随驱动电压的变化曲线。可看到串扰小于为-74db，消光比大于74db。应当注意，满足条件的数值解不只一种。
[0081]
综上，通过合理设置移相器中pin结相移臂的数目及掺杂配置，对于有无相位偏置器件的硅基电光开关单元，均可实现超大消光比性能，相比传统的设计方法，具有明显的有益效果。