一种热光移相器的制作方法

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种热光移相器。

背景技术：

随着半导体技术的发展，芯片的尺寸目前已经缩小到了极限。为了进一步的开发具有更高性能的芯片，突破摩尔定律，不需缩小器件体积就能提高性能的硅基光电子芯片应运而生。硅基光电子芯片一般通过电光、热光、以及声光来对光的强度、振幅、频率、相位、偏振以及传播方向等进行调制。其中，利用热光来实现光的相位变化的热光移相器是硅基芯片中一种常用的功能性器件。

然而，现有技术中的热光移相器的移相效率较低。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种热光移相器，可以在不影响移相器的体积的情况下，使得光被反复加热，从而利用模式谐振提高光被加热的次数，在不增加移相器体积的情况下有效提高移相效率。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种热光移相器，包括：传输波导，用于传输光；加热单元，与所述传输波导热耦合，用于对所述传输波导的至少一部分进行加热以改变通过所述传输波导中光的相位；至少一个光栅结构，形成于所述传输波导的内侧壁或外表面，用于对所述传输波导中的光进行至少一次反射，使所述光经过被加热的传输波导两次或两次以上。

可选的，对于所述光栅结构的每次反射，入射的tei模在当前反射后转换为tei+1模，i为非负整数。

可选的，所述传输波导为多模波导；所述热光移相器还包括：第一单模波导，与所述多模波导光耦合，入射光经由所述第一单模波导传输至所述多模波导；第二单模波导，所述第二单模波导与所述多模波导定向耦合，用于将所述传输波导中经过至少一次反射后的光引出形成出射光，所述出射光为te0模。

可选的，所述第一单模波导的横截面直径与所述第二单模波导的横截面直径相等；其中，所述横截面直径的方向垂直于所述多模波导中的光传输方向。

可选的，所述多模波导的横截面直径与所述第一单模波导的横截面直径之间的比例为m～2m；其中，m为所述光在所述传输波导中的反射次数，所述横截面直径的方向垂直于所述多模波导中的光传输方向。

可选的，所述光栅结构包含一个或多个重复的光栅单元，且不同的光栅结构具有不同的重复次数；其中，每个光栅单元包含相邻的两排光栅，且所述两排光栅之间的排列周期相同或不同；每排光栅的延伸方向与所述传输波导中的光传输方向相同；光栅单元的重复次数为k的光栅结构用于将入射的tek-1模反射形成tek模，k为正整数。

可选的，用于将入射的tem模反射形成tem+1模的光栅结构位于所述加热单元的一侧，用于将入射的ten模反射形成ten+1模的光栅结构位于所述加热单元的另一侧；其中，m为单数，n为双数和零。

可选的，各个重复的光栅单元中两排光栅的平均周期采用下述公式确定：λ＝(n1+n2)λ；其中，λ用于表示所述光的波长，n1用于表示被当前光栅结构反射前的光的模式有效折射率，n2用于表示被当前光栅结构反射后的光的模式有效折射率，λ用于表示所述两排光栅的平均周期。

可选的，每个光栅单元中的两排光栅的周期比值为80％～125％。

可选的，在不同的光栅结构之间，所述光栅单元中两排光栅的周期比值相同或不同。

可选的，所述加热单元环绕所述传输波导的外表面，且所述加热单元包括以下一项或多项：金属线以及掺杂波导。

可选的，所述传输波导选自：条型波导，脊型波导以及平板波导。

可选的，所述光栅结构是自所述传输波导的内侧壁或外表面进行刻蚀形成的。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，通过设置在传输波导的内侧壁或外表面形成光栅结构，并且使所述光经过被加热的传输波导两次或两次以上，可以在不影响移相器的体积的情况下，使得光被反复加热，从而有效提高移相效率。

进一步，对于所述光栅结构的每次反射，入射的tei模在当前反射后转换为tei+1模，从而可以反射过程中，提高光的模式，进一步实现光路控制，避免反射后的光从单模波导沿来路返回，且实现对高阶模式的光进行耦合输出。

进一步，在所述热光移相器还包括第一单模波导的情况下，通过设置第二单模波导与所述多模波导定向耦合，用于将所述传输波导中经过至少一次反射后的光引出形成出射光，所述出射光为te0模，可以有效地使多模波导与第二单模波导之间形成定向耦合器，以实现光路控制，避免反射后的光从单模波导沿来路返回，且实现对高阶模式的光进行耦合输出。

进一步，通过设置所述多模波导的横截面直径与所述第一单模波导的横截面直径之间的比例为m～2m，其中，m为所述光在所述传输波导中的反射次数，对于反射次数越多的光，采用越粗的多模波导进行谐振传输，从而可以有效降低移相器的损耗，提高移相器的效率。

进一步，所述光栅结构包含一个或多个重复的光栅单元，且不同的光栅结构具有不同的重复次数，其中，每个光栅单元包含相邻的两排光栅，且所述两排光栅之间的排列周期相同或不同，可以在采用该光栅结构对tek-1模式的光进行反射后，实现将所述光的模式从tek-1转变为tek，从而在光栅对光的反射过程中，提高光的模式，进一步实现光路控制，避免反射后的光从单模波导沿来路返回，且实现对高阶模式的光进行耦合输出。

进一步，通过设置用于将入射的tem模反射形成tem+1模的光栅结构位于所述加热单元的一侧，用于将入射的ten模反射形成ten+1模的光栅结构位于所述加热单元的另一侧，其中，m为单数，n为双数和零，可以实现光在所述加热单元的谐振传输和模式提升，有效利用全部光栅结构，提高空间利用率。

进一步，采用布拉格公式确定各个光栅单元中两排光栅的平均周期，可以采用不同光栅结构对各自对应的光进行反射，从而实现光多次被加热。

附图说明

图1是本发明实施例中一种热光移相器的俯视结构示意图；

图2是本发明实施例中一种用于将te0模式的光反射形成te1模式的光栅结构的俯视图；

图3是本发明实施例中一种用于将te1模式的光反射形成te2模式的光栅结构的俯视图；

图4是本发明实施例中一种用于将te2模式的光反射形成te3模式的光栅结构的俯视图；

图5是本发明实施例中一种用于将te3模式的光反射形成te4模式的光栅结构的俯视图；

图6是本发明实施例中另一种热光移相器的俯视结构示意图。

具体实施方式

如前所述，在现有技术中，可以采用热光移相器对光的相位进行调制。然而，现有技术中的热光移相器的移相效率较低。

在现有的一种技术方案中，可以通过在波导两侧增加隔热槽或者制作悬臂梁结构的方式，提高加热单元的加热效率，从而提高热光移相器的移相效率。

然而本发明的发明人经过研究发现，上述方案降低了热光移相器的调制速度，增加了工艺难度和器件的总体尺寸，产生了移相器的体积变大的问题，不利于移相器在硅基片上激光雷达，光子人工智能等网络中的使用

在现有的另一种技术方案中，可以采用弯曲波导增加波导的加热长度的方式来提高热光移相器的移相效率。

然而本发明的发明人经过研究发现，加热长度的增加也会带来移相器的体积变大的问题，导致移相器的应用范围受限。

在本发明实施例中，热光移相器包括：传输波导，用于传输光；加热单元，与所述传输波导热耦合，用于对所述传输波导的至少一部分进行加热以改变通过所述传输波导中的光的相位；至少一个光栅结构，形成于所述传输波导的内侧壁或外表面，用于对所述传输波导中的光进行至少一次反射，使所述光经过被加热的传输波导两次或两次以上。采用上述方案，可以在不影响移相器的体积的情况下，使得光被反复加热，从而利用模式谐振提高光被加热的次数，在不增加移相器体积的情况下有效提高移相效率。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图1，图1是本发明实施例中一种热光移相器的俯视结构示意图。所述热光移相器可以包括传输波导11、加热单元12以及光栅结构13。

其中，所述传输波导11用于传输光，所述加热单元12与所述传输波导11热耦合，用于对所述传输波导11的至少一部分进行加热以改变所述传输波导中的光的相位；所述光栅结构13形成于所述传输波导11的内侧壁或外表面，用于对所述传输波导11中的光进行至少一次反射，使所述光经过被加热的传输波导11两次或两次以上。

进一步地，所述加热单元12可以环绕所述传输波导11的外表面，且所述加热单元12可以包括以下一项或多项：金属线以及掺杂波导。

具体地，可以采用金属线以缠绕方式设置于所述传输波导11的外表面，并通过向金属线加热，实现所述加热单元12的加热功能，例如可以采用连接的电极进行加热。

还可以在所述传输波导的周围形成掺杂波导。

具体地，在现有技术中，可以在半导体衬底上形成所述传输波导，进而在传输波导的表面和侧面覆盖保护层(例如介质层)以进行保护。

在本发明实施例中，可以在形成保护层之前，在传输波导的表面或侧面形成掺杂波导，以在电流通过时发出热量，实现所述加热单元12的加热功能。

需要指出的是，还可以采用pn结(pnjunction)以及光子集成(photonicintegrationcircuit，pic)等光子集成器件中常规的加热结构，本发明实施例对于加热单元12的具体构成不做限制。

更进一步地，可以在所述加热单元12的两侧制作隔热槽、悬臂梁等结构，有助于进一步实现隔热，有效提高加热效率。

进一步地，所述传输波导11可以选自以下一项或多项：条型波导，脊型波导以及平板波导。

进一步地，所述传输波导11可以选自以下一项或多项：阶跃型波导和渐变型波导。

进一步地，所述光栅结构13可以是自所述传输波导11的外表面进行刻蚀形成的。

具体地，可以提供半导体衬底，在所述半导体衬底的表面形成所述传输波导11，进而在传输波导11的表面进行刻蚀，以形成光栅结构13，此时所述光栅结构13可以位于所述传输波导11的内侧壁。可以理解的是，还可以在形成所述传输波导11时，保留预设厚度的硅材料，以在其中形成光栅结构13，此时所述光栅结构13可以位于所述传输波导11的外表面。进而在形成光栅结构13后，还可以在所述传输波导11的表面形成保护层。

在本发明实施例中，通过设置在传输波导11的内侧壁或外表面形成光栅结构13，使所述光可以经过被加热的传输波导11两次或两次以上，在不影响移相器的体积的情况下，使得光被反复加热，从而有效提高移相效率。

进一步地，在图1示出的热光移相器中，所述传输波导11可以为多模波导16，所述热光移相器还可以包括：第一单模波导14，与所述多模波导16光耦合，入射光经由所述第一单模波导14传输至所述多模波导16；第二单模波导15，所述第二单模波导15与所述多模波导16定向耦合，用于将所述传输波导11(16)中经过至少一次反射后的光引出形成出射光，所述出射光为te0模。

需要指出的是，多模波导16与第二单模波导15之间可以形成定向耦合器，以实现光路控制，可以理解的是，所述多模波导16与第二单模波导15的一部分相对平行，且之间具有间隙(gap)。

在本发明实施例中，在所述热光移相器还包括第一单模波导14的情况下，通过设置第二单模波导15与所述多模波导16定向耦合，用于将所述传输波导中经过至少一次反射后的光引出形成出射光，所述出射光为te0模，可以有效地使多模波导16与第二单模波导15之间形成定向耦合器，以实现光路控制，避免反射后的光从第一单模波导14沿来路返回，且实现对高阶模式的光进行耦合输出。

进一步地，所述第一单模波导14的横截面直径与所述第二单模波导15的横截面直径相等；其中，所述横截面直径的方向垂直于所述多模波导16中的光传输方向。

在本发明实施例中，通过合理设置多模波导16和第二单模波导15之间相对平行的长度和间隙(gap)的大小，可以将多模波导中te1模式的光耦合形成于第二单模波导15中的te0模式，从而实现移相器中的光输出，进一步地，由于设置了第一单模波导14的横截面直径与所述第二单模波导15的横截面直径相等，有利于提高工艺制备的一致性和规范性，提高器件品质。

进一步地，所述多模波导16的横截面直径与所述第一单模波导14的横截面直径之间的比例可以为m～2m，其中，m为所述光在所述传输波导中的反射次数，可以理解的是，如果入射光的模式为te0，从所述多模波导16的输出光可以为tem，所述横截面直径的方向垂直于所述多模波导16中的光传输方向。

在本发明实施例中，通过设置所述多模波导16的横截面直径与所述第一单模波导14的横截面直径之间的比例为m～2m，其中，m为所述光在所述传输波导11(16)中的反射次数，对于反射次数越多的光，采用越粗的多模波导16进行谐振传输，可以有效降低移相器的损耗，提高移相器的效率。

进一步地，在所述第一单模波导14与所述多模波导16之间，还可以设置绝热模斑转换器以实现光从第一单模波导14至多模波导16之间的传输。需要指出的是，所述绝热模斑转换器不对光的模式进行转变，也即在第一单模波导14传输的光te0在经过绝热模斑转换器之后，进入所述多模波导16时仍然可以为te0。

进一步地，所述光栅结构包含一个或多个重复的光栅单元，且不同的光栅结构具有不同的重复次数；其中，每个光栅单元包含相邻的两排光栅，且所述两排光栅之间的排列周期相同或不同；每排光栅的延伸方向与所述传输波导中的光传输方向相同；光栅单元的重复次数为k的光栅结构用于将入射的tek-1模反射形成tek模，k为正整数。

在本发明实施例中，对于所述光栅结构的每次反射，入射的tei模在当前反射后转换为tei+1模，i为非负整数。

采用本发明实施例的方案，可以在两次或两次以上的反射过程中，提高光的模式，进一步实现光路控制，避免反射后的光从单模波导沿来路返回，且实现对高阶模式的光进行耦合输出。

参照图2，图2是本发明实施例中一种用于将te0模式的光反射形成te1的光栅结构的俯视图。

其中，图2示出的光栅结构用于反射te0模式的光，也即n＝1，则可以包含2n＝2排光栅，且在反射后将所述光的模式从te0转变为te1。

进一步地，两排光栅的周期分别为λ10以及λ01，所述两排光栅的平均周期可以采用下述公式确定：

λ＝(n1+n2)λ；

其中，λ用于表示所述光的波长，n1用于表示被当前光栅结构反射前的光的模式有效折射率，n2用于表示被当前光栅结构反射后的光的模式有效折射率，λ用于表示所述两排光栅的平均周期。需要指出的是，在不同的模式下，光的折射率可能会发生改变，所述光的模式有效折射率用于表示在当前模式下的光的折射率。

在本发明实施例中，通过采用上述公式确定各个光栅单元中两排光栅的平均周期，可以实现对具有适当的模式阶数的光(例如图2示出的te0模式的光通过光栅反射形成te1模式)进行反射并实现模式的改变，从而实现光多次被加热。

进一步地，每个光栅单元中的两排光栅的周期可以相同或不同，在确定λ的基础上，可以进一步确定λ10以及λ01。

具体地，如果所述两排光栅的周期相同，则均等于λ；如果所述两排光栅的周期不同，则可以根据具体情况进行设置且使其平均值为λ。

更进一步地，所述每个光栅单元中的两排光栅的周期比值不应当过大，否则容易导致光栅结构的一致性较差。

作为一个非限制性的例子，每个光栅单元中的两排光栅的周期比值可以为80％～125％。在本发明实施例中，可以设置两排光栅的周期比值为90％。

参照图3，图3是本发明实施例中一种用于反射te1模式的光的光栅结构的俯视图。

其中，图3示出的光栅结构用于反射te1模式的光，也即n＝2，则可以包含2n＝4排光栅，且在反射后将所述光的模式从te1转变为te2。

进一步地，两排光栅的周期分别为λ12以及λ21，所述两排光栅的平均周期可以采用下述公式确定：

λ＝(n1+n2)λ；

其中，λ用于表示所述光的波长，n1用于表示被当前光栅结构反射前的光的模式有效折射率，n2用于表示被当前光栅结构反射后的光的模式有效折射率，λ用于表示所述两排光栅的平均周期。

可以理解的是，由于不同模式阶数的光在同一传输波导中的有效折射率通常不同，因此图3示出的两排光栅计算得到的平均周期λ与图2示出的两排光栅计算得到的平均周期λ不等。

进一步地，在确定λ的基础上，可以进一步确定λ12以及λ21。

有关图3示出的光栅结构的更多内容，请参照图2示出的光栅结构，此处不再赘述。

参照图4，图4是本发明实施例中一种用于反射te2模式的光的光栅结构的俯视图。

其中，图4示出的光栅结构用于反射te2模式的光，也即n＝3，则可以包含2n＝6排光栅，且在反射后将所述光的模式从te2转变为te3。

进一步地，两排光栅的周期分别为λ23以及λ32，所述两排光栅的平均周期可以采用下述公式确定：

λ＝(n1+n2)λ；

其中，λ用于表示所述光的波长，n1用于表示被当前光栅结构反射前的光的模式有效折射率，n2用于表示被当前光栅结构反射后的光的模式有效折射率，λ用于表示所述两排光栅的平均周期。

可以理解的是，由于不同模式阶数的光在同一传输波导中的折射率通常不同，因此图4示出的两排光栅计算得到的平均周期λ与图2至图3示出的两排光栅计算得到的平均周期λ不等。

进一步地，在确定λ的基础上，可以进一步确定λ23以及λ32。

有关图4示出的光栅结构的更多内容，请参照图2至图3示出的光栅结构，此处不再赘述。

参照图5，图5是本发明实施例中一种用于反射te3模式的光的光栅结构的俯视图。

其中，图5示出的光栅结构用于反射te3模式的光，也即n＝4，则可以包含2n＝8排光栅，且在反射后将所述光的模式从te3转变为te4。

进一步地，两排光栅的周期分别为λ34以及λ43，所述两排光栅的平均周期可以采用下述公式确定：

λ＝(n1+n2)λ；

其中，λ用于表示所述光的波长，n1用于表示被当前光栅结构反射前的光的模式有效折射率，n2用于表示被当前光栅结构反射后的光的模式有效折射率，λ用于表示所述两排光栅的平均周期。

可以理解的是，由于不同模式阶数的光在同一传输波导中的折射率通常不同，因此图5示出的两排光栅计算得到的平均周期λ可能与图2至图4示出的两排光栅计算得到的平均周期λ不等。

进一步地，在确定λ的基础上，可以进一步确定λ34以及λ43。

有关图5示出的光栅结构的更多内容，请参照图2至图4示出的光栅结构，此处不再赘述。

需要指出的是，在不同的光栅结构之间，所述光栅单元中两排光栅的周期比值相同或不同，也即图2示出的λ10以及λ01之间的比值可以不同于图3示出的λ12以及λ21之间的比值。

在本发明实施例中，所述光栅结构包含一个或多个重复的光栅单元，且不同的光栅结构具有不同的重复次数，其中，每个光栅单元包含相邻的两排光栅，且所述两排光栅之间的排列周期相同或不同，可以在采用该光栅结构对tek-1模式的光进行反射后，实现将所述光的模式从tek-1转变为tek，从而在两次或两次以上的反射过程中，提高光的模式，进一步实现光路控制，避免反射后的光从单模波导沿来路返回，且通过定向耦合器实现对高阶模式的光的耦合输出。

参照图6，图6是本发明实施例中另一种热光移相器的俯视结构示意图。

其中，所述热光移相器可以包括图1示出的传输波导11、加热单元12，还可以包括光栅结构231、232、233以及234。

其中，所述传输波导11可以用于传输光，所述加热单元12与所述传输波导11热耦合，用于对所述传输波导11中的光进行加热以改变所述光的相位。

所述光栅结构231、232、233以及234可以形成于所述传输波导11的内侧壁或外表面，用于对所述传输波导11中的光进行至少一次反射，使所述光经过被加热的传输波导11两次或两次以上。

进一步地，用于将入射的tem模反射形成tem+1模的光栅结构位于所述加热单元的一侧，用于将入射的ten模反射形成ten+1模的光栅结构位于所述加热单元的另一侧；其中，m为单数，n为双数和零。

具体地，光栅结构232用于对模式te1的光进行反射，光栅结构234用于对模式te3的光进行反射，即用于对tem模的光进行反射的光栅结构，可以设置于所述加热单元的一侧。

光栅结构231用于对模式te0的光进行反射，光栅结构233用于对模式te2的光进行反射，即用于对ten模式的光进行反射的光栅结构，可以设置于所述加热单元的另一侧。

在本发明实施例中，通过设置用于将入射的tem模反射形成tem+1模的光栅结构位于所述加热单元的一侧，用于将入射的ten模反射形成ten+1模的光栅结构位于所述加热单元的另一侧，其中，m为单数，n为双数和零，可以实现光在所述加热单元的谐振传输和模式提升，有效利用全部光栅结构，提高空间利用率。

需要指出的是，由于光栅结构仅对满足前述公式的光进行反射，因此不满足前述公式的光可以直接穿过。也即在图6示出的热光移相器中，可以设置入射光的模式为te0，进而在穿过光栅结构232、光栅结构234、以及光栅结构233的过程中均不会被反射，被光栅结构231反射后，其模式转变为te-1。进而穿过光栅结构233后，第二次经过加热单元12加热的一部分传输波导11，穿过光栅结构234后，被光栅结构232反射后，其模式转变为te2。进而第三次经过加热单元12加热的一部分传输波导11，被光栅结构233反射后，其模式转变为te3。进而第四次经过加热单元12加热的一部分传输波导11，被光栅结构234反射后，其模式转变为te4。

可以理解的是，还可以设置如图1所示的第二单模波导，输出模式te4的光会通过定向耦合器在第二单模波导中形成te0模式，从而进行耦合输出。

需要指出的是，图6示出的光被加热的次数提高至5次，热光移相器实现π相移的功耗可以降低到pπ/5附近，且不会造成热光移相器的上升沿和下降沿的时间的增加。

有关图6示出的热光移相器的更多内容，请参照图1示出的热光移相器，此处不再赘述。

进一步的，在本发明实施例中，所述单模波导以及多模波导可以包括能够实现光传播方向180°转变的小弯曲半径波导结构，包括但不仅限于欧拉曲线，圆弧，椭圆弧以及二次函数曲线等结构。

所述光栅结构还可以根据莫尔光栅以及其他可以实现模式谐振的光栅结构实现。

图1及图6中示出的热光移相器的半导体衬底可以根据实际情况选用，包括但不限于二氧化硅，硅，氮化硅，soi和iii-v族化合物等半导体以及聚合物等材料。

在本发明实施例中，通过设置在传输波导11的内侧壁或外表面形成光栅结构，并且使所述光经过被加热的传输波导11两次或两次以上，可以在不影响移相器的体积的情况下，使得光被反复加热，从而利用模式谐振提高光被加热的次数，在不增加移相器体积的情况下有效提高移相效率。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。