一种布拉格波导光栅调制器的制作方法

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种布拉格波导光栅调制器。

背景技术：

调制器是光纤通信中信号加载的重要器件，硅光调制器的结构种类有很多，较为常用的结构包括马赫曾德尔调制器、微环调制器以及布拉格光栅调制器。马赫曾德尔调制器实际应用中臂长一般大于2mm，尺寸较大；微环调制器，不同信道之间容易串扰；现有的布拉格光栅调制器的光栅固有反射光，反射光会对入射端口其余器件造成不良影响，尤其是半导体激光器光源对外界反射光非常敏感，存在的反射光会对入射端口其余器件造成不良影响，使得布拉格光栅调制器在很大程度上失去了外调制的优势。

技术实现要素：

本发明提供一种布拉格波导光栅调制器，解决现有布拉格光栅调制器反射光对入射端口器件产生不良影响的问题。

为解决上述问题，本发明是这样实现的：

发明实施例提供一种布拉格波导光栅调制器，包含：主波导、谐振腔波导、反对称定向耦合器；所述主波导一端包含前向输入光口、用于接收te0模的入射光，另一端包含后向输出光口、用于输出te0模的输出光；所述反对称定向耦合器连接所述主波导和谐振腔波导的耦合段，用于实现所述主波导的te0模式光与所述谐振腔波导的te1模式光的模式转换；所述谐振腔波导上有反对称光栅，用于实现谐振腔波导中te1模式光与te0模式光的转换。

进一步地，所述反对称光栅刻于所述谐振腔波导的侧壁上，包含第一反对称光栅、第二反对称光栅；所述入射光从所述前向输入光口进入，经所述反对称定向耦合器模式转换输出第一te1模光至所述谐振腔波导；所述第一te1模光分别经所述第一、第二反对称光栅输出第一前向te1模光、第一后向te0模光；所述第一前向te1模光经所述第二反对称光栅输出第二后向te0模光，所述第一后向te0模光经所述第一反对称光栅输出第二前向te1模光；所述第一、第二前向te1模光经所述反对称定向耦合器模式转换为所述te0模的输出光从所述后向输出光口输出。

进一步地，所述谐振腔波导为脊波导，包含pn结、掺杂载流子且两侧放置金属电极，若不施加电信号，则所述主波导中te0模式光的有效折射率等于所述谐振腔波导te1模式光的有效折射率；若施加电信号，则所述谐振腔波导中的te0模式光和te1模式光的有效折射率均发生改变，且均不等于所述主波导中te0模式光的有效折射率。

优选地，所述主波导为矩形波导。

优选地，所述反对称光栅的光栅周期为：

其中，λ为所述光栅周期，λ为所述入射光的波长，neff0、neff1分别为所述谐振腔波导的te0模式光、te1模式光的有效折射率。

优选地，所述反对称光栅满足布拉格条件：β0+β1-k01＝0，其中，β0和β1分别是所述谐振腔波导中te0模式光和te1模式光的传播常数，k01为光栅矢量，λ为所述布拉格波导光栅调制器的光栅周期。

优选地，所述主波导和谐振腔波导均制作在二氧化硅硅基晶片上。

优选地，所述反对称光栅通过一步光刻和刻蚀制造而成。

优选地，所述反对称光栅中包含π相移结构，位于所述第一、第二反对称光栅之间。

本发明有益效果包括：在本发明提出的边耦合反对称布拉格波导光栅调制器中，主波导te0模式光有效折射率与谐振腔波导后向te0模式光有效折射率不等，导致后向te0模无法通过反对称定向耦合器(adc)耦合回主波导，减少了反射光；另外，本发明通过增加端口的方式，使得光能够从谐振腔波导两侧出射，避免了光从主波导的输入端口反射的情况。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为一种布拉格波导光栅调制器实施例；

图2为一种谐振腔波导实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着信息时代的到来，人们对于高性能数据传输的需求也与日俱增。特别是，人们的要求已经不再仅限于传统的通话业务，而是更侧重于语音，图像等层面的交流。各种新型业务也开始层出不穷，比如电视会议、视频通话等多媒体业务。光纤通信因其在传输容量和传输速度等方面展现出了优势，从而获得了广泛的应用与研究。而作为光纤通信中信号加载的重要器件，调制器成为了人们主要的研究领域之一。

与其它材料相比，硅有着很多优势：首先，硅的能带间隙为1.12ev。因此，它在o波段和c波段这两个波段是透明的。其次，硅的折射率为3.45，而二氧化硅的折射率为1.45。硅和二氧化硅之间存在很大的折射率差，硅光器件对光的限制作用比较大，因此我们可以把器件的尺寸做得较小。接着，硅光器件可以和cmos工艺完美兼容，成本比较小。最后，硅光器件的机械性能比较好，可以在较高的温度环境下工作。因此，硅光调制器在光通信领域内表现出了很大的潜力。现如今，硅光调制器的结构种类有很多，较为常用的结构包括马赫曾德尔调制器、微环调制器以及布拉格光栅调制器等等。

当前，马赫曾德尔调制器的最大优点是工作带宽是全带宽，因此它得到了广泛的应用。然而，马赫曾德尔调制器的尺寸大。虽然尺寸可以臂长可以做到0.5mm甚至更小，但是为了保证调制器的性能实际应用中臂长一般大于2mm。相比之下，微环调制器和布拉格光栅调制器是基于谐振的，因此尺寸可以相对较小。

微环调制器的尺寸比马赫曾德尔调制器的尺寸小。然而，微环调制器的谐振峰是周期性的，当微环调制器级联的时候，不同信道之间容易串扰。为了避免信道串扰，微环调制器的直径必须很小，甚至小于10μm。

布拉格光栅调制器尺寸比马赫曾德尔调制器小。同时，布拉格光栅调制器是单模谐振的，因此它在工作波长附近仅有一个谐振峰，信道之间不易串扰。但是，布拉格光栅调制器的光栅固有反射光，反射光会对入射端口其余器件造成不良影响。尤其是半导体激光器光源对外界反射光非常敏感。这种缺陷和内调制的缺陷有所类似。因此布拉格光栅调制器在很大程度上失去了外调制的优势。

与其它主流的硅光调制器如马赫曾德尔调制器和微环调制器相比，布拉格光栅调制器具有尺寸小，单模谐振等优点，不同信道之间不易串扰。然而，布拉格光栅调制器也存在不足。它存在的反射光会对入射端口其余器件造成不良影响。如果采用隔离器等方法来解决这个问题，这会大幅增加通信系统的成本，提高结构的复杂性。

本发明创新点如下：第一，本发明通过调整主波导中te0模的有效折射率，使其等于谐振腔波导的te1模有效折射率，使得主波导te0模能通过adc耦合到谐振腔波导，谐振腔波导的前向te1模也能耦合回主波导，但是谐振腔波导的后向te0模却因为有效折射率的差异无法耦合回主波导，从而达到减小反射光的效果；第二，本发明施加电信号时，电信号改变谐振腔波导te0和te1模的有效折射率，使得入射光直接从主波导的输出光口输出，避免了反射光；第三，本发明除了包含有主波导的两个端口，谐振腔波导还包含两个端口，使得光能够从谐振腔波导两侧出射，避免了光从主波导的输入端口反射的情况。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种布拉格波导光栅调制器实施例，可有效减少输出光口的实现反射光，作为本发明实施例，一种布拉格波导光栅调制器，包含：主波导1、谐振腔波导2、反对称定向耦合器3，所述谐振腔波导上有反对称光栅21。

所述主波导一端包含前向输入光口、用于接收te0模的入射光，另一端包含后向输出光口、用于输出te0模的输出光；所述反对称定向耦合器连接所述主波导和谐振腔波导的耦合段，用于实现所述主波导的te0模式光与所述谐振腔波导的te1模式光的模式转换；所述谐振腔波导上有反对称光栅，用于实现谐振腔波导中te1模式光与te0模式光的转换。

在本发明实施例中，主波导的端口1为所述前向输入光口、端口2为所述后向输出光口，谐振腔波导的端口3与所述前向输入光口位于所述布拉格波导光栅调制器的同侧，谐振腔波导的端口4与所述后向输出光口位于所述布拉格波导光栅调制器的同侧。

本发明的目的是使用一种边耦合反对称布拉格波导光栅调制器，即本发明申请中的布拉格波导光栅调制器，减少传统布拉格光栅调制器的固有反射光，缓解反射光对入射端口其余器件的不良影响。边耦合反对称布拉格波导光栅调制器，其技术基础是：谐振腔波导中te0和te1模能在所述反对称光栅(asbwg)中谐振，且te1模的有效折射率小于te0模的有效折射率。因此，可以通过调整主波导中te0模的有效折射率，使其等于谐振腔波导的te1模有效折射率。此时，主波导te0模能通过adc耦合到谐振腔波导，谐振腔波导的前向te1模也能耦合回主波导，但是谐振腔波导的后向te0模却因为有效折射率的差异无法耦合回主波导，从而达到减小反射光的效果。

需要说明的是，所述反对称光栅为反对称布拉格光栅。

进一步地，所述反对称光栅刻于所述谐振腔波导的侧壁上，包含第一反对称光栅22、第二反对称光栅23。

所述入射光从所述前向输入光口进入，经所述反对称定向耦合器模式转换输出第一te1模光至所述谐振腔波导；所述第一te1模光分别经所述第一、第二反对称光栅输出第一前向te1模光、第一后向te0模光；所述第一前向te1模光经所述第二反对称光栅输出第二后向te0模光，所述第一后向te0模光经所述第一反对称光栅输出第二前向te1模光；所述第一、第二前向te1模光经所述反对称定向耦合器模式转换为所述te0模的输出光从所述后向输出光口输出。

在本发明实施例中，所述反对称光栅的光栅周期为：

其中，λ为所述光栅周期，λ为所述入射光的波长，neff0、neff1分别为所述谐振腔波导的te0模式光、te1模式光的有效折射率。

在本发明实施例中，进一步地，所述反对称光栅中包含π相移结构24，位于所述第一、第二反对称光栅之间。

反对称布拉格光栅的相移采用以下任意一种方式实现：在反对称布拉格光栅中间插入π相移结构或采用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅。

所述反对称光栅提供一个光栅矢量k01，实现不同模式之间的相位匹配，从而达到模式转换。所述反对称光栅满足布拉格条件：

β0+β1-k01＝0(2)

其中，β0和β1分别是所述谐振腔波导中te0模式光和te1模式光的传播常数，k01为光栅矢量，λ为所述布拉格波导光栅调制器的光栅周期。

进一步地，所述反对称光栅中te0模式光和te1模式光的耦合系数为：

其中，κ01为所述耦合系数，ω为入射光和反射光的角速度，ε0为介电常数，ψ(x)0为0阶模的横向电场分布函数，ψ(x)1为1阶模的横向电场分布函数，δε(x)是横向的介电常数分布。

在本发明实施例中，进一步地，所述谐振腔波导为脊波导，包含pn结、掺杂载流子且两侧放置金属电极，若不施加电信号，则所述主波导中te0模式光的有效折射率等于所述谐振腔波导te1模式光的有效折射率；若施加电信号，则所述谐振腔波导中的te0模式光和te1模式光的有效折射率均发生改变，且均不等于所述主波导中te0模式光的有效折射率。

所述主波导为矩形波导，没有pn结掺杂，两侧不放置金属电极，不施加电信号，主波导中的te0模式光有效折射率不发生变化。

在本发实施例中，当未施加电信号时，入射光通过端口1进入所述主波导后成为te0模，通过所述反对称定向耦合器，光耦合到所述谐振腔波导并成为第一前向te1模光，通过第二反对称光栅，第一前向te1模光反射为第一后向te0模光。由于谐振腔波导中的te0模式光的有效折射率不等于所述主波导te0模的有效折射率，所以第一后向te0模光无法耦合回所述主波导，因此减少了反射光。

此时，第一后向te0模光通过第一反对称光栅，再次反射为第二前向te1模光。由于谐振腔波导te1模式光的有效折射率等于所述主波导te0模式光的有效折射率，所以第一前向te1模光和第二前向te1模光均能耦合回所述主波导并成为所述主波导的te0模，产生出射光。

进一步地，当施加电信号时，根据等离子体色散效应，所述谐振腔波导的材料折射率发生变化，所述谐振腔波导的te0和te1模式光的有效折射率都随之减小。此时，所述主波导te0模式光的有效折射率不等于所述谐振腔波导te1模式光的有效折射率，所以所述主波导的te0模式光无法耦合到谐振腔波导，直接从主波导的端口2出射。

需要说明的是，在本发明申请中，所述主波导的te0模式光为包含所述入射光和输出光的所有te0模式光，所述谐振腔波导的te0模式光为包含所述第一前向te0模光和第二前向te0模式光的所有te0模式光，所述谐振腔波导的te1模式光为包含所述第一后向te1模光和第二后向te1模光的所有te1模式光。

在本发明实施例中，所述主波导和谐振腔波导均制作在二氧化硅硅基晶片上。

在本发明实施例中，所述反对称光栅通过一步光刻和刻蚀制造而成。

例如，所述谐振腔波段的侧壁反对称光栅和的制造方法如下：

反对称光栅结构是通过一步光刻和刻蚀制造的，制造工艺与传统互补金属氧化物半导体(cmos)工艺相兼容。光刻的目的是将掩膜版的图形转移到硅片表面的光刻胶上。该步骤可以通过深紫外曝光来印制掩膜版的图像，首先对硅片进行预处理、涂胶、甩胶烘干，然后将涂胶的硅片送入光刻机进行曝光。完成后，硅片进行显影，随后清洗硅片并在此烘干。

刻蚀的目的是将硅片表面的光刻胶上的图形转移到硅片上。该步骤可以通过电感耦合等离子体(icp)干法刻蚀或基于化学反应的湿法刻蚀的方法进行刻蚀。刻蚀结束后利用去胶机用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。此外，还可以通过电子束曝光的技术进行光刻，首先在硅片上涂一层均匀的电子束光刻胶，常见的为pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在光刻胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，在光刻胶上形成所需波导图案。

再例如，所述布拉格波导光栅调制器中电学部分的注入和接触工艺如下：

(1)在刻蚀完成后，需要对所述布拉格波导光栅调制器进行掺杂。

掺杂前先在晶圆表面生长一层二氧化硅，然后对晶圆片再次光刻。光刻后经过刻蚀工艺将光刻后窗口内的底部抗反射涂层(barc)打开。之后对晶圆进行离子注入，注入完成后通过干法去胶的方法将作为注入掩模的光刻胶和底部抗反射涂层(barc)去除，用氢氟酸溶液，双氧水、浓硫酸混合溶液以及氨水、双氧水混合溶液清洗，然后重复注入后的去胶和清洗过程完成pn结杂质在脊波导中的掺杂。之后是对脊波导平板区进行注入做pn结的电学连接结构而进行的掺杂。为了使硅与金属接触形成欧姆接触，还要对硅进行更大剂量的掺杂离子注入。离子注入完成后进行快速热退火处理，以激活注入的杂质离子，修复注入造成的晶格损伤。这里需要说明的是，为了使pn结更接近突变结，退火时间不宜过长，可以选择5s。

(2)晶圆表面生长二氧化硅，通过化学机械研磨(cmp)的方法将晶圆表面的二氧化硅进行平坦化处理。工艺流程由前段工艺转为后段工艺。用二氧化硅刻蚀工艺在二氧化硅层上刻出器件的接触孔，这个步骤要对晶圆片光刻，再将光刻时涂的底部抗反射涂层(barc)打开，再用二氧化硅刻蚀工艺刻蚀，之后进行干法去胶，最后进行清洗，去除晶圆表面残留的聚合物和光刻胶。为了获得较好的接触电阻，通常需要对接触孔处的硅进行金属化处理，在需要进行的接触部分形成金属硅化物。在接触孔刻蚀完成后，用氢氟酸清洗去除残留氧化硅，甩干后进行金属淀积，之后进行退火处理。处理完成后清洗晶圆片，再对晶圆片进行退火处理，就形成了较低电阻值的金属硅化物。在金属硅化物形成后，在晶圆表面淀积ti和tin，作为接触工艺的阻挡层。之后通过化学气相沉积(cvd)向晶圆上生长金属，填充氧化硅接触孔，再通过化学机械抛光(cmp)去除接触孔外多余的金属。接触孔工艺完成后，向晶圆表面淀积ti和tin作为金属阻挡层，然后淀积一层铝合金并通过光刻和刻蚀将晶圆表面金属去除，只留下器件的金属连接线部分。之后在晶圆表面淀积二氧化硅作为包层，通过光刻和刻蚀将器件与外界连接部分的金属上覆盖的氧化层去除。最后，对晶圆片进行退火，修复金属连线降低金属连线电阻。

本发明实施例提供一种布拉格波导光栅调制器，为基于反对称布拉格波导光栅的硅光调制器，在保留传统布拉格光栅调制器优点的基础上，减少了反射光，缓解了反射光对入射端口其余器件的不良影响。

图2为一种谐振腔波导实施例，可用于本发明布拉格波导光栅调制器的谐振腔波导，在本发明实施例中，所述谐振腔波导2的两侧放置金属电极25，制作在二氧化硅硅基晶片上4。

在本发明实施例中，所述谐振腔波导为脊波导，包含pn结、掺杂载流子且两侧放置金属电极，若不施加电信号，则所述主波导中te0模式光的有效折射率等于所述谐振腔波导te1模式光的有效折射率；若施加电信号，则所述谐振腔波导中的te0模式光和te1模式光的有效折射率均发生改变，且均不等于所述主波导中te0模式光的有效折射率。

图2为所述谐振腔波导的横截面，在本发明实施例中，所述布拉格波导光栅调制器主波导是矩形波导，没有pn结掺杂，两侧不放置金属电极，不施加电信号。所述布拉格波导光栅调制器谐振腔波导是脊波导，包含pn结，掺杂了载流子，并且在谐振腔波导两侧放置金属电极。

在所述金属电极上施加电信号时，谐振腔波导中载流子分布和pn结耗尽层宽度等发生变化。根据等离子体色散效应，谐振腔波导中的te1模式光和te0模式光的有效折射率发生变化，最终，主波导的te0模式光无法通过反对称定向耦合器(adc)耦合到谐振腔波导，主波导的输出光功率达到最大值。

在所述金属电极上未施加电信号时，主波导的te0模式光能通过反对称定向耦合器(adc)耦合到谐振腔波导，并在反对称光栅中进行谐振。输出光口的出射光功率达到最小值，此时，光能够从谐振腔波导两侧出射，避免了光从主波导入射端口出射，减小了反射光。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。