[发明专利]一种低损耗快速切换PIN电光相移结构

说明书

本发明公开了一种低损耗快速切换PIN电光相移结构，该结构为对浅刻蚀波导进行二次刻蚀而形成的阶梯状波导，其中所述阶梯状波导两侧的平板区域分别进行P型掺杂和N型掺杂。在浅刻蚀波导体系下，通过再次刻蚀降低脊形波导两侧平板波导的高度，减小光模场与掺杂区域的交叠面积，在确保低损耗的情况下，可有效提升PIN器件的切换速度。解决传统PIN器件低损耗与快速切换性能无法兼得的问题。同时通过合适的尺寸设计，这种结构所支持的基模有效折射率与浅刻蚀波导几乎没有差别，可以通过普通的宽度渐变波导低损耗相连。这种低损耗快速切换PIN器件可以广泛运用于光交换、光计算、光相控阵等大规模光电子集成器件。

技术领域

本发明属于硅基光电子集成领域，尤其涉及一种低损耗快速切换PIN电光相移结构。

背景技术

随着硅基集成光电子器件技术的发展，片上集成光电子系统正向着大规模、高集成度、低损耗、高速的方向发展，如大规模集成光开关阵列、集成光子计算系统、大规模集成光相控阵系统。硅基集成光波导器件以其对光模场较高的束缚能力，可以实现高集成度的光电子链路，但是也会引入较大光能量传输损耗。为降低片上集成光波导的传输损耗，同时兼顾对光模场的束缚性能，通常使用浅刻蚀波导。同时为降低器件之间的连接损耗，其他片上集成器件也是用同样刻蚀深度的浅刻蚀波导，形成浅刻蚀波导体系。浅刻蚀波导通常是将波导芯层材料刻蚀一个相比于芯层材料整体厚度较小的深度（图 1 中的 h 值）。随着刻蚀深度变大，被光波导束缚的光模场面积逐渐减小，如图 2 所示。

在硅基集成光电子系统中，除无源光波导器件之外，还有大量的有源器件。这些有源器件通常以 PN 结、PIN 结、电容结以及热电极的方式对波导中光模场的有效折射率进行调控。PIN 结型电光器件（以下称 PIN 器件）以其高效的有效折射率调控能力和较低的损耗，得到了广泛的运用。PIN 器件通常通过在两侧平板区掺杂 P 型及 N 型杂质构建。其对光模场有效折射率的调控通过载流子的扩散进入波导核心区，以及从波导核心区抽取载流子两个物理过程实现。这两个过程需要耗费的时间成为其上升和下降时间（统称为切换时间）。切换时间的快慢直接影响到以此器件构建的系统的性能及运用范围，如光交换系统中光链路建立时间、光相控阵系统中信号扫描速度、光计算系统中数据处理速度。PIN 器件的切换时间主要受到掺杂区距离波导的影响，掺杂区到波导的距离越近，切换时间越快，反之越慢。对于浅刻蚀脊形波导，其光模场分布范围较广（图 3 中的闭合曲线），与两侧掺杂区域的交叠面积较大，掺杂离子对于光能量有吸收作用，是 PIN 器件损耗的主要来源，因而掺杂引入的损耗也较大，如图 3 所示。

为降低硅基光子集成系统的片上损耗，通常片上集成器件仅使用一种刻蚀深度，或是确保不同刻蚀深度器件之间有较低的连接损耗，但这往往很难实现。在浅刻蚀片上波导体系下，为降低器件损耗，PIN 器件的掺杂区域需远离波导核心区域，减小掺杂区与光模场的交叠面积，进而降低离子吸收损耗。这必然增加了切换时间，使得 PIN 器件无法同时获得低损耗及高速切换性能，限制了 PIN 器件的应用范围。

发明内容

本申请实施例的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种低损耗快速切换PIN电光相移结构。

本申请实施例提供一种低损耗快速切换PIN电光相移结构，该结构为对浅刻蚀波导进行二次刻蚀而形成的阶梯状波导，其中所述阶梯状波导两侧的平板区域分别进行P 型掺杂和 N 型掺杂。

进一步地，所述浅刻蚀波导由对波导进行预定刻蚀深度的刻蚀得到，其中所述预定刻蚀深度小于所述波导的总厚度的一半。

进一步地，该结构的设计方法为：

S1：确定所述浅刻蚀波导中光模场的边界；

S2：根据所述光模场的边界确定二次刻蚀的位置；

S3：基于已确定的二次刻蚀的位置，对所述光模场两侧的平板区域进行二次刻蚀，并保留预定厚度用于离子掺杂；