[发明专利]基于二维层状材料的SOI基微环滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及硅基光电子学以及芯片级光互连技术，尤其涉及一种基于二维层状材料可饱和吸收效应的绝缘体上硅（SOI）基信号过滤器件。

 

背景技术

近半个世纪以来，随着集成电路的发展，硅基材料的器件工艺已经非常成熟，而且随着工艺尺寸的不断减小，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。芯片更高的集成度带来的不仅仅是晶体管数目的增加，更是芯片功能和处理速度的提升。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，微电子工艺的局限性也日趋明显。一方面是由于器件线宽的不断减小，传统的光刻加工手段已经接近极限，另一方面是由于随着晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小，单个晶体管的延时和功耗越来越小，而互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。因此，可以看到深亚微米特征尺寸下电互连延迟和功耗的瓶颈，已经严重制约了芯片性能的进一步提高。片上互连迫切需要一种比电互连更高速更宽带的互连方式。

和集成电路相比,光集成器件构成的集成光路具有低功耗、高带宽、抗电磁干扰等优势；和分立光学器件或薄膜光学器件相比，集成光路具有低成本、小尺寸、适合量产（可以采用集成电路的光刻等工艺进行大规模量产）等优势，随着网络通信和互连中数据量的飞速膨胀，人们希望采用更低的成本来构建更高性能的系统，这就对其中大量使用的光集成器件提出了更高的要求。在光波导集成器件中，滤波器是极为重要的一类无源器件，广泛应用于波分复用系统中。其功能为实现不同波长光信号的复用和解复用，以及提取/抑制某个或某些波长通道。目前国内外有很多课题组对硅基微环谐振腔滤波器进行研究，但是他们都是对滤波器的一些特性进行研究，比如滤波器温度可调的特性、微环滤波器陷波特性、波长带宽可调特性、微环耦合系数特性，同时也有一些针对双环、多环级联结构的研究，但是都没有针对改善滤波器的输出信号特性的研究。石墨烯等二维层状材料的引入给硅基微环器件性能带来了突破性的进展。石墨烯等二维层状材料具有很多其他材料所不具有的优秀特性，比如石墨烯的合成过程简单、材料新颖、材料性能优异、与硅的兼容性好、成本低等。并且现如今技术上能够在硅片上直接合成石墨烯，所以在硅基微环器件表面上可以直接进行石墨烯的合成，能够降低石墨烯转移过程中杂质引入，材料破损等不良影响，此技术在将来的硅基光互连集成中也能起到决定性的作用。

对于SOI基微环滤波器来讲，3dB带宽和消光比是最重要的两个性能评价指标，为了得到较高质量的输出信号，要求微环滤波器的3dB带宽相对要小，同时为了在光通信系统中得到较低误码率，通常需要较高的滤波消光比。因此，提高微环滤波器的3dB带宽和消光比对于片上光互连网络具有十分重要的意义。传统意义的SOI基微环滤波器只是通过改变微环的大小或者改变波导结构来改善滤波器的性能，但是有些本质问题没有办法改变，比如对于微环滤波器中的噪声不能很好的处理，为了提高3dB带宽需要改变滤波器的结构，这样对于工艺上是一大挑战。

 

发明内容

    为克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，目的是利用二维层状材料的可饱和吸收效应对SOI基滤波器的光信号进一步过滤，其与传统的SOI基滤波器相比，具有更窄的3dB带宽、更高的消光比、更少的噪声、CMOS工艺兼容等优点，可以在未来的片上光互连网络中获得广泛的应用。

    为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，包括一个由埋氧层和顶层硅组成的SOI衬底，所述顶层硅上设置有一组SOI微环谐振腔、输入直波导和输出直波导，所述输入直波导和所述输出直波导位于所述SOI微环谐振腔的上下两侧，构成SOI波导结构；所述SOI波导结构上覆盖有一个二维层状材料，所述输入直波导的两端分别设有输入端光栅和直通端光栅，所述输出直波导的一端设有输出端光栅；所述SOI微环谐振腔与所述输入直波导最接近的区域形成第一耦合区域，所述所述SOI微环谐振腔与所述输出直波导最接近的区域形成第二耦合区域。

所述SOI微环谐振腔作为微环滤波器的光学谐振腔部分，使光信号在所述SOI微环谐振腔中产生干涉和模式共振；

所述二维层状材料作为本发明的关键性部分，所述二维层状材料覆盖在所述SOI波导结构上，可实现光信号与二维材料发生作用，导致二维材料的饱和，对光信号进行饱和吸收的作用；

所述输入直波导和所述输出直波导作为光信号的传输介质，使光信号在其中传播并与所述SOI微环谐振腔发生耦合；