为光子结构中的波长漂移提供补偿的方法及设备与流程

本发明涉及用于为在操作期间可遭受热诱导的波长漂移的光子结构提供波长补偿的方法及设备。更特定来说，本发明涉及针对波导谐振器的波长补偿。

背景技术：

环形或跑道形波导谐振器通常在集成式光子电路中用作用于光学信号的调制器或滤波器。如此，波导谐振器的谐振频率(通常以波长来表示)需要与通过所述波导谐振器的所预期光学信号的波长对准，否则调制器或滤波器性能将降级。

此类谐振器的操作波长可对操作条件(例如温度改变)是敏感的，此可导致波长漂移。为补偿此类热诱导的波长漂移，可使用局部微加热器来维持波导谐振器的恒定温度。当局部加热波导谐振器时，所述加热导致波导谐振器的有效折射率的改变且产生稳定操作波长。加热器使波导谐振器保持处于所要温度且因此保持处于所要操作波长。

基于热的漂移补偿机构具有大量缺点，例如缓慢响应、额外能量成本、低准确性、仅单向加热(无冷却)及难以在集成式光子系统中应用于实际使用。

需要用于光子波导谐振器的经改善波长漂移补偿方法及设备。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的波导谐振结构的俯视图；

图2图解说明可使用本发明的实施例获得的谐振波长的改变；

图3以横截面图解说明结构实施例；

图4A到4E以横截面图解说明可用于形成图3实施例的方法的实施例；

图5以横截面图解说明结构实施例；

图6A到6F以横截面图解说明可用于形成图5实施例的方法的实施例；

图7以横截面图解说明结构实施例；

图8A到8D以横截面图解说明可用于形成图7实施例的方法的实施例；

图9图解说明可与本发明的各种实施例一起使用的控制电路；

图10图解说明可在图9控制电路中使用的控制算法的实施例；且

图11图解说明可在图9控制电路中使用的另一控制算法的实施例。

具体实施方式

下文所描述的结构实施例针对波导谐振器及相关联偏置结构使用应变波导芯材料，所述相关联偏置结构跨越波导谐振器施加电压以将波导谐振器的有效折射率及因此谐振波长设定为所要值，借此补偿可以其它方式发生的热诱导的波长漂移。

应变芯材料是其中材料原子拉伸超过其正常原子间距离的一种材料。可在波导中以数种方式(举例来说，通过将具有不同于芯材料的热膨胀系数的包覆材料放置成与芯材料接触)实现应变。为进一步增强在芯材料中诱导的应变，可加热芯材料及包层。还可通过使用包覆材料产生应变芯材料，在所述包覆材料中原子间距离大于波导芯材料的原子间距离而导致芯材料的原子拉伸且与所述包覆材料的原子对准。另外，固有地应变的特定材料可用于波导芯材料。通过用特定掺杂物掺杂波导芯材料来使其发生应变也是可能的。硅通常用作光子系统中的波导芯材料。使硅波导芯材料发生应变的各种方式及其在光子系统中的使用描述于以下文章中：2011年12月4日科扎内莉(Cozzanelli)等人的通过氮化硅进行应变的硅波导中的二次谐波产生(Second,Harmonic Generation in Silicon Waveguide Strained by Silicon Nitride)(自然材料期刊)以及2011年8月17日凯美拉克(Chmielak)等人的基于泡克耳斯效应的全集成应变硅光电调制器(Pockels Effect Based Fulley Integrated Strained Silicon Electro-Optic Modulator)(光学快报)。

现在将描述方法及结构实施例。图1以俯视图来图解说明可在光子系统中用作调制器或滤波器的波导谐振器15。输入波导11及输出波导13短暂耦合到波导谐振器15的波导21。波导谐振器15包含闭合回路波导21，所述闭合回路波导展示呈环形，但可构造成跑道或其它闭合回路形状。还在图1中图解说明电耦合到波导21的底部表面的底部电极19，及电耦合到波导21的顶部表面的顶部电极17。

波导21包含在跨越顶部电极17及底部电极19施加电压后即刻准许波导21的有效折射率的改变的应变波导芯材料。由所施加电压产生的电场导致波导21的谐振波长的变更，所述变更可用于移动且保持所要波长且因此补偿热诱导的波长漂移。

图2图解说明跨越图1中的顶部电极17及底部电极19施加的电压可如何用于在施加电压后使波导21的有效折射率及因此所得波长移位。如图2中所展示，通过波导21的光学信号的强度具有标称谐振波长37a，所述标称谐振波长可因跨越图1结构的顶部电极17及底部电极19施加的电压而移位，如由强度值37b及37c所展示。

在图3中图解说明谐振波导15的一个特定实施例，图3是穿过波导谐振器15的一部分的横截面。如所展示，可包括硅的波导芯29具有相关联下部包覆材料27以及上部及侧面包覆材料35。下部包覆材料27、波导芯29以及上部及侧面包覆材料35共同形成波导21。在制作下部包覆材料27、硅波导芯29及上部包覆材料35期间，在硅波导芯29中引入应变。如上文所提及，可以数种不同方式诱导应变。在一个实例中，硅波导芯29与具有不同于硅的热膨胀系数的热膨胀系数的上部包覆材料39(例如氮化硅)接触。此将在硅波导芯29中导致应变，所述应变通过在退火操作期间加热材料而增强。硅波导芯29中的应变允许响应于跨越对应于图1中的顶部电极17及底部电极19的顶部电极39a及底部电极39b施加电压而使用众所周知的泡克耳斯效应改变硅波导芯29的有效折射率。跨越波导21施加的偏置导致波导21的有效折射率调谐到设定值，所述调谐可用于将波导谐振器15的波长有效改变及/或维持到所要值以补偿热诱导的波长漂移。

现在参考图4A到E描述图解说明于图3中的结构实施例的制作方式。

图4A图解说明用于产生图3实施例的起始结构。如图4A中所展示，可为硅或其它衬底材料的衬底25具有形成于其上的底部包覆材料27。如在光子学技术中所众所周知，底部包覆材料27及上部包覆材料35具有比波导芯的材料的折射率低的折射率。底部包覆材料27可为二氧化硅或氮化硅。图4A中图解说明为材料28的波导芯材料可为硅。在一个实施例中，衬底25、底部包覆材料27及硅材料28可为整体绝缘体上硅(SOI)衬底的一部分。

图4B图解说明在硅波导材料28已经蚀刻以形成硅波导芯29之后的图4A结构。在此之后，在波导芯上方且围绕其侧面边缘制作上部包覆材料35。针对硅芯材料29，用于上部包层的适合材料可为(举例来说)氮化硅、旋涂电介质、二氧化硅及具有不同于硅的热膨胀系数且可经加热以增加硅波导芯29中的应变的其它材料。在制作上部包覆材料35之后，可进行热退火过程以增强硅波导芯29中的应变。

还可使用用于如上文所描述在硅波导芯29中诱导应变的其它技术来形成应变硅波导芯29。或者，固有地应变的材料28可用于波导芯29。

图4A及4B还图解说明导电材料19在衬底25下方的形成。此层可通过沉积掺杂的多晶硅或通常用于集成电路的制造中的任何金属材料(例如，铜、铝)而形成。

图4C图解说明通孔31在图4B结构中形成为低至导电材料19的水平面。此通孔31通过此项技术中众所周知的常规各向异性蚀刻技术形成。图4D图解说明导电材料39在图4C结构上方的形成，此举既填充通孔31又在上部包覆材料35上方提供上覆导电材料39。

图4E图解说明用以形成单独电极39a及39b的对导电材料39的后续蚀刻，其中电极39对应于顶部电极17(图1)且电极39b连接到底部电极19。

由于波导芯29中的应变在波导芯29中诱导二次非线性光学效应(所谓的泡克耳斯效应)，因此波导21的有效折射率可随跨越导体39a及39b的所施加电压而改变。此将对应地改变波导谐振器15的操作波长。如将在下文中所解释，可开发跨越导体39a及39b施加电压以设定及/或维持所要波长且可在波导谐振器15的操作期间补偿热诱导的波长漂移的控制技术。

图5以横截面图解说明波导谐振器15’的第二结构实施例。图5中所图解说明的实施例与图3中所展示的实施例不同在于前者进一步包含热光补偿包覆材料43作为波导21的一部分。热光补偿包覆材料43可用于帮助减少由于温度改变导致的波导谐振器21的谐振波长的漂移。与硅波导芯29的正热光系数相比，热光补偿包覆层43具有负热光系数。虽然图5结构可减少由热效应导致的波长漂移，然而，所图解说明结构仍可借助所施加电压进行微调谐以设定及/或维持所要波长且补偿任何实际热漂移。现在关于图6A到6F中所展示的图5实施例的制作方法来描述图5实施例。

图6A中所图解说明的起始结构包含底部导体19、衬底25、下部包覆材料27、芯材料28及上部包覆材料35。所使用的各种材料与图4A到4E制作方法中所使用的材料相同。与图5一样，衬底25、下部包覆材料27及芯材料可为绝缘体上硅(SOI)衬底的一部分。如上文关于图5B所描述，通过使波导芯29具有不同于上部包覆材料35a的热膨胀系数的热膨胀系数而在波导芯29中诱导应变。举例来说，波导芯29材料可为硅且上部包覆材料35a可为氮化硅，且在硅芯材料中诱导的应变可通过热退火增强。

如图6B中所图解说明，对上部包覆材料35及波导材料28执行各向异性蚀刻以形成上部包层35a及波导芯29。可在上部包层35a及波导芯29的蚀刻之前或之后应用热退火。或者，还可使用上文所描述的其它方法来在硅波导芯29中诱导应变。

在图6B中所图解说明的各向异性蚀刻之后，施涂热光补偿包覆材料43。与硅波导芯29的正热光系数相比，此材料具有负热光系数。此材料可为众所周知的负膨胀系数的聚合物(举例来说，以全文引用的方式并入本文中的欧洲公开的申请案EP 06885515A1中所描述的那些聚合物)。可用于材料43的其它材料包含负膨胀系数的陶瓷及金属氧化物，其中氧化钛是适合金属氧化物的一个实例。

如图6D中所展示，通孔45经各向异性蚀刻穿过热光补偿包覆材料43、下部包层27及衬底25到导电材料19。随后，如图6E中所展示，将导电材料47施涂于通孔45内及热光补偿包覆材料43上方。此导电材料可为经掺杂多晶硅或金属层(举例来说，铜、铝或通常用于集成电路制作中的其它金属的金属层)。

如图6F中所展示，热光补偿包覆材料43上方的导电材料47可经蚀刻以形成将允许将跨越波导谐振器15’施加的电压移位及/或维持谐振波长的两个导体47a及47b。

图7图解说明波长谐振器15”的另一结构实施例。如图7中所展示，针对波导21提供电极47a、47b、47c。电极47a、47b、47c仅提供于上部包覆材料35的上部表面上。现在参考图8A到8D描述制作图7实施例的方式。

首先参考图8A，起始结构包含衬底25、下部包覆层27及可用于形成波导芯的材料28(例如硅)。再次，图8A结构中的各种材料可为绝缘体上硅(SOI)衬底的部分。

如图8B中所图解说明，波导芯29通过蚀刻波导材料28形成。随后，制作上部包覆层35。与先前实施例一样，在以上文所描述的方式制作波导芯29及上部包覆材料35期间在波导芯29内产生应变。

如图8C中所展示，在上部包覆材料35上方形成上部导电材料47，所述上部导电材料然后如图8D中所展示经选择性蚀刻以产生三个导电区47a、47b及47c。如图5D中所展示，中心导电区47a用于施加正电压，而外部导电区47b及47c接地。与在先前实施例中一样，将电压施加到导电区47a、47b及47c可调整波导21的有效折射率及波导谐振器15”的谐振波长。在此实施例中，对于经简化处理来说，不需要制作底部电极来产生总体结构。另外，虽然图7及图8C展示上部包覆材料35的上部表面上的三个导电区47a、47b及47c，但在替代实施例中，仅形成两个间隔开的导电区，一个导电区用于连接到正电压且另一导电区用于连接到接地。

图9图解说明可用于将操作电压连续供应到上文所描述的各种结构实施例的DC电压控制电路48。DC电压控制电路48可制作为用于制作波导谐振器15(15’、15”)的共用衬底25上的CMOS电路。控制电路48包含用于最初设定电压以将波导谐振器15(15’、15”)设定为处于所要操作波长的设定点调整器49。还展示用于在波导谐振器15(15’、15”)的操作期间感应周围温度的温度传感器41。或者，传感器41可为感应波导谐振器15(15’、15”)的实际谐振波长的波导传感器。

图10图解说明供DC电压控制电路48使用的控制算法。电路48内的固件或软件控制的数字处理器或模拟信号处理器可执行图10中所图解说明的控制算法。作为第一步骤101，借助于设定点调整器49设定针对所期望操作温度T₀、针对所要操作波长λ0的输入设定点。在步骤103中，将输入设定点转换成设定点输出电压。如所提及，此可通过模拟或数字技术来完成。举例来说，如果使用数字处理器，那么可使用使初始温度T₀及波长λ0与特定电压输出相关的查找功能。此设定点可用于补偿制作变化且将波长λ0调谐到所要操作值。

在步骤103之后，在步骤105中使用温度传感器41感应温度T₁。如果所感应温度T₁在预定阈值T₀±Th(其是在设定点温度T₀周围的规定温度带)内，那么不对输出电压V做出改变且过程返回到步骤105。然而，如果所感应温度T₁在预定阈值带T₀±Th之外，那么计算Δ值作为所感应温度T₁与设定温度T₀之间的正差或负差。然后在步骤111中，使用此正差或负差值Δ来使输出电压V升高或降低，使得操作波长返回到初始所要操作波长λ0。一旦执行步骤111，过程便返回到设定电压的步骤103且过程继续。

代替感应温度T₁，用于控制电路48的控制算法可感应波导谐振器15(15’、15”)的操作波长λ，此可用于将输出电压及因此操作波长调整到所要值λ0，如图11中所展示。实际上与图10过程一样，图11过程以设定针对所要操作波长λ0的输入设定点的步骤101’开始。步骤103’将波长设定点λ0转换成施加到波导谐振器15(15’、15”)的输出电压。然后在步骤105’中，感应操作波长λ，此后在步骤107’中，确定操作波长λ是否在集中于所要波长λ0周围的预定阈值带λ0±Th内。如果是，那么过程返回到步骤105’。然而，如果所感应操作波长λ不在预定阈值带λ0±Th内，那么在步骤109’中计算所感应λ与设定λ0之间的正差或负差Δ，然后在步骤111’中使用所述正差或负差Δ来改变所施加电压，此后在步骤103’中设定新计算的电压且过程继续。

应注意，如果制作过程足够精确以针对波导谐振器15(15’、15”)产生一致初始所要操作波长，那么可省略图10及11过程的步骤101中的对初始所要波长的初始设定点调整。否则，可使用初始设定点调整来针对将产生不同于所要谐振波长的谐振波长的任何制作变化补偿波导谐振器15(15’、15”)。

如可从前述内容理解，各种实施例提供用于通过使用所施加电压结合应变波导芯来针对光子波导谐振器(举例来说，滤波器或调制器)中的热漂移以及制作异常进行调整的极为快速且高效的方式。

在上文所描述的实施例中，应变硅用作波导芯材料29。然而，可使用可由所施加电场利用来将波导谐振器调谐且维持到对应于所要操作波长的特定有效折射率的其它应变波导芯材料来代替硅。作为实例，此类材料包含GaAs、I_NP、Si_x Ge_1-x。可经应变且用于形成波导芯的其它材料包含任何III族到IV族材料。如所提及，用于波导芯29的一些材料可在其中固有地具有应变。

在上文所描述的实施例中，通过使用具有不同于硅的热膨胀系数的热膨胀系数的上部包覆材料35来在硅波导芯29中产生应变。然而，还可使用下部包覆材料27或通过使用上部包覆材料45及下部包覆材料27两者来产生应变。

应进一步注意，针对硅波导芯29，波导21的有效折射率取决于通过外部电压施加的场强度及在此材料中的方向。各种实施例展示其中可使用顶部电极17及底部电极19施加场的方式；然而，还可采用用于控制电场的其它布置。

针对硅波导芯29，上部包覆材料35及下部包覆材料27可包含氮化硅、SiO_xN_y、SiO₂、旋涂电介质(SOD)、氢化SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、AL₂O₃以及具有不同于硅波导芯29的热膨胀系数的热膨胀系数的其它电介质。

虽然上文已描述各种方法及结构实施例，但应了解，可在不背离本发明的精神或范围的情况下对方法及结构实施例两者做出改变。因此，本发明不受特定实施例的以上描述限制，而仅受所附权利要求书的范围限制。