基于二维层状材料的soi基微环滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了基于二维层状材料的SOI(Semicon-on-insulator)基微环滤波器，包括一个埋氧层和顶层硅组成的SOI衬底，顶层硅上设有一组SOI微环谐振腔、输入直波导和输出直波导，输入直波导和输出直波导位于SOI微环谐振腔的上下两侧，构成SOI波导结构；SOI波导结构上覆盖有一个二维层状材料，输入直波导的两端分别设有输入端光栅和直通端光栅，输出直波导的一端设有输出端光栅；SOI微环谐振腔与输入直波导和输出直波导最接近的区域分别形成第一、第二耦合区域。本发明利用二维层状材料的可饱和吸收效应对SOI基滤波器进一步过滤，与传统技术相比，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。
【专利说明】基于二维层状材料的SOI基微环滤波器
【技术领域】
[0001 ] 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。
[0002]
【背景技术】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]
【发明内容】
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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；
所述输入端光栅、所述直通端光栅和所述输出端光栅作为光信号输入输出的重要部件，主要用于光信号I禹合输入输出到所述输入直波导和所述输出直波导；
所述第一耦合区域使满足谐振条件的部分光信号耦合进入所述SOI微环谐振腔，所述第二耦合区域将光信号耦合出所述SOI微环谐振腔到达所述输出直波导。
[0010]进一步的，所述SOI微环谐振腔由单个SOI微环或多个SOI微环组成，利用谐振特性对光信号进行滤波处理。
[0011]进一步的，所述二维层状材料可以铺设在所述SOI微环谐振腔的微环上，也可以铺设在所述输出端光栅的所述输出直波导上，利用所述二维层状材料的饱和吸收效应对光信号进行处理，优化信号输出。
[0012]进一步的，所述二维层状材料是具有饱和吸收效应的二维材料，包括石墨烯、石墨炔、类石墨烯衍生物、娃烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物(如MoS2, WS2, WSe2)、二维黑磷和拓扑绝缘体等；这些所述的二维材料利用其与光信号作用后的饱和吸收效应，对光信号进行处理，对滤波器的滤波性能起到了提升作用。
[0013]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
为了克服传统器件中3dB带宽太大、消光比太小的不足，本发明提供了一种基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，引入了石墨烯等二维材料，利用石墨烯的可饱和吸收效应，对滤波器信号的进一步处理，减小了滤波器输出信号的3dB带宽同时提高了信号的消光t匕。石墨烯作为典型了单层原子结构二维材料，其具有很高的光学透过率，也是零带隙材料，石墨烯具有环境友好型的特点，通过化学气相沉积法能够合成大面积完整性好的石墨烯，大大降低了工艺上的成本。石墨烯通过简单的转移就能应用在SOI基器件上，具有很好的兼容性和简单的工艺。在光强达到一定强度时，石墨烯达到可饱和吸收。对于滤波器的信号，弱光没有使石墨烯达到饱和，强光使石墨烯达到饱和，不同强度的光信号有不同的吸收，在信号输出时，有石墨烯的介入能够对光信号产生一个不同的吸收，使信号在弱光强区能量更低，同时对于信号的噪声有一定的吸收，使得输出信号的3dB带宽减小，消光比增力口。利用这一特性，本发明的微环滤波器的性能得以保证，大大提高了器件信号输出的可靠性，使得该器件有能力在片上光互连中得以更好的应用。
[0014]
【专利附图】
【附图说明】
[0015]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明二维层状材料的微环覆盖法俯视图；
图3是本发明二维层状材料的波导覆盖法俯视图；
图4是本发明微环滤波器器件初步对比数据。
[0016]
【具体实施方式】
[0017]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
[0018]本发明是基于SOI衬底材料设计的硅基二维层状材料的信号过滤器件，对于不同的埋氧层厚度以及顶层硅厚度，为达到功能要求相应的最佳设计也不同，因此为了方便进行叙述，本发明衬底材料默认为具体实施参数，即埋氧层厚度为2 μ m，顶层硅厚度为340nm0
[0019]参见图1所示，基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，包括一个由埋氧层31和顶层娃32组成的SOI衬底3,所述顶层娃3上设置有一组SOI微环谐振腔1、输入直波导9和输出直波导10,所述输入直波导9和所述输出直波导10位于所述SOI微环谐振腔I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2，所述输入直波导9的两端分别设有输入端光栅4和直通端光栅5,所述输出直波导10的一端设有输出端光栅6 ;所述SOI微环谐振腔I与所述输入直波导9最接近的区域形成第一耦合区域7，所述所述SOI微环谐振腔I与所述输出直波导10最接近的区域形成第二耦合区域8。
[0020]所述SOI微环谐振腔I作为微环滤波器的光学谐振腔部分，由单个SOI微环或多个SOI微环组成，使光信号在所述SOI微环谐振腔I中产生干涉和模式共振，利用谐振特性对光信号进行滤波处理。
[0021]所述二维层状材料2作为本发明的关键性部分，所述二维层状材料2可以铺设在所述SOI微环谐振腔I的微环上，也可以铺设在所述输出端光栅6的所述输出直波导10上；所述二维层状材料2是具有饱和吸收效应的二维材料，包括石墨烯、石墨炔、类石墨烯衍生物、硅烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物(如MoS2，WS2, WSe2)、二维黑磷和拓扑绝缘体等；这些所述的二维材料2利用其与光信号作用后的饱和吸收效应，对光信号进行处理，对滤波器的滤波性能起到了提升作用。
[0022]所述输入直波导9和所述输出直波导10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I发生耦合。
[0023]所述输入端光栅4、所述直通端光栅5和所述输出端光栅6作为光信号输入输出的重要部件，主要用于光信号I禹合输入输出到所述输入直波导9和所述输出直波导10。
[0024]所述第一耦合区域7使满足谐振条件的部分光信号耦合进入所述SOI微环谐振腔1，所述第二耦合区域8将光信号耦合出所述SOI微环谐振腔I到达所述输出直波导10。
[0025]本发明基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，由所述输入端光栅4输入光信号，一部分满足条件的光信号在所示第一耦合区域7从所述输入直波导9耦合进入所述SOI微环谐振腔I并发生干涉，另一部分光信号通过所述直通端光栅5输出，进入所述SOI微环谐振腔I中的光信号在微环中发生谐振，光信号能量强度没有使二维材料发生饱和的光信号部分被吸收，达到能量强度的光信号使二维材料达到饱和，对光信号不吸收，如此对信号的质量起到了一定的提高，可以有效的提高光信号的消光比，同时使光信号有较快的滚降速率，然后过滤过的光信号通过所述第二耦合区域8进入所述输出直波导10，最后由所述输出端光栅6输出。
[0026]参见图2所示，从此图可以看到所述二维层状材料2覆盖在所述SOI微环谐振腔I的微环上，将材料的饱和吸收效应用于微环，当光信号从第一耦合区域7耦合进入所述SOI微环谐振腔I后，通过与所述二维层状材料2作用，使所述二维层状材料2产生饱和吸收效应，此时所述二维层状材料2对光信号进一步处理，吸收光信号相对弱的信号，使光信号的消光比增加同时获得较快的滚降速率。
[0027]参见图3所示，可以看到所述二维层状材料2覆盖在所述输出波导10上，光信号通过在所述SOI微环谐振腔I中谐振，初步得到一个干涉光谱，然后再通过所述第二耦合区域8耦合出，最后与所述二维层状材料2作用，利用二维材料的饱和吸收在信号输出前对其过滤，过滤掉光信号中的噪声，吸收信号中部分强度弱的光，同样可以起到提高光信号消光比和增加滚降速率。
[0028]参见图4所示，图4为本发明微环滤波器器件初步对比数据，从此图中可以看到初步实验结果，实线表示微环滤波器在没有转移二维材料前的测试数据，从这个数据中可以看到光信号有很多噪声C，有一些杂峰b，还有的信号滚降较慢a。虚线表示转移二维材料后的光信号，对比没有石墨烯的微环滤波器输出信号，加入二维材料以后输出信号相对优质了，杂峰减少了，噪声降低了，信号峰a处滚降变的比较快了。所以在利用二维材料的饱和吸收效应以后对光信号进一步过滤，使光信号在输出时更好。
[0029]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，其特征在于:包括一个由埋氧层(31)和顶层硅(32)组成的SOI衬底(3)，所述顶层硅(32)上设置有一组SOI微环谐振腔(I)、输入直波导(9)和输出直波导(10),所述输入直波导(9)和所述输出直波导(10)分别位于所述SOI微环谐振腔(I)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(2 )，所述输入直波导(9 )的两端分别设有输入端光栅(4 )和直通端光栅(5 )，所述输出直波导(10)的一端设有输出端光栅(6);所述SOI微环谐振腔(I)与所述输入直波导(9)最接近的区域形成第一耦合区域(7)，所述SOI微环谐振腔(I)与所述输出直波导(10)最接近的区域形成第二耦合区域(8)。
2.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，其特征在于:所述SOI微环谐振腔(I)由单个SOI微环或多个SOI微环组成，利用谐振特性对光信号进行滤波处理。
3.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，其特征在于:所述二维层状材料(2)铺设在所述SOI微环谐振腔的微环(I)上，或铺设在所述输出端光栅(6)的所述输出直波导(10)上，利用所述二维层状材料(2)的饱和吸收效应对光信号进行处理，优化信号输出。
4.根据权利要求3所述的基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，其特征在于:所述二维层状材料(2)是具有饱和吸收效应的二维材料，包括石墨烯、石墨炔、类石墨烯衍生物、硅烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、二维黑磷和拓扑绝缘体；这些所述的二维材料利用其与光信号作用后的饱和吸收效应，对光信号进行处理，对滤波器的滤波性能起到了提升作用。
5.根据权利要求4所述的基于二维层状材料的SOI基微环滤波器，其特征在于:所述过渡金属硫化物为MoS2、WS2或WSe2。
【文档编号】G02B6/293GK103941345SQ201410188123
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】鲍桥梁, 李鹏飞, 李绍娟, 甘胜, 孙甜 申请人:苏州大学