基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器

1.本发明涉及硅基光电子集成和光通信技术领域，尤其涉及到基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器。


背景技术：

2.近些年来，随着集成电路工艺节点不断下降，芯片内电互连瓶颈问题目益凸显，由芯片内电互连引起的功耗延时等问题已经严重制约着芯片性能的进一步改进；电互连的瓶颈并不只存在于芯片内部，还存在于芯片与芯片、板与板、机柜与机柜之间。随着计算机处理器数目的增多，用于核与核之间数据通信的总带宽也在不断增加。普遍认为，在未来高性能计算机中用于处理器之间互连的输入输出带宽将达到tb/s量级。传统电学i/o受制于尺寸和功耗，已经无法满足超大容量数据交换的带宽需求。此外，随着大数据、云计算、物联网、5g通信等新兴产业的兴起，人们对于数据通信带宽的需求日益增加。据统计，2021年数据中心总数据传输需求将达到20.6zettabytes，并且超过70％的数据交换是在数据中心内部进行。由此可见，传统的电互连方式遭遇到不可逾越的带宽和功耗瓶颈，已经成为了限制计算机性能以及通信系统带宽的重大障碍。人们迫切需要更高速的互连方式和更高速的光互连专用光电子器件。
3.电光调制器是光通信网络、微波光子系统等复杂光通信/传感系统的核心光电子器件，承担着电光高速转换的重要作用，不仅在大型数据中心有源光缆、高性能计算机系统等传统领域具有重要应用，而且可以用于电场传感、微波光相控阵雷达、光纤陀螺惯性技术等国防军事领域用途，具有极高的研究价值和重要意义。通常情况下，电光调制器的调制参量为光波强度。对于一个理想的强度电光调制器而言，其应该具备低光损耗、低驱动电压、高带宽、高线性度、小尺寸和低制造成本等诸多优点。近些年来，随着硅基光电子学的研究兴起，人们对于硅基电光调制器的研究兴趣愈发浓厚并取得了较快进展。作为一种高速电光转换器件，硅基电光调制器具有波导结构紧凑、集成度高、cmos工艺兼容等优点，在面向短距离数据通信应用的光收发模块、光互连中获得了巨大成功。
4.由于硅材料的pockels效应和kerr效应都很弱，现有的硅基电光调制器主要是基于soi光波导结构并利用硅的等离子体色散效应实现硅基电光调制功能。等离子体色散效应是一种基于自由载流子散射吸收的物理效应，自由载流子可以通过特定的电学结构注入或者抽取出掺杂区域从而引起光波导区域折射率的改变。为了实现超高速的光学调制，主流的硅基光调制器通常采用基于载流子耗尽的pn结相移器结构，同时采用微环/微盘光学谐振腔结构或者马赫-曾德干涉仪结构实现光强度调制。经过十几年的研究开发，硅基电光调制器在性能上得到了持续改善，在通信速度、插入损耗、功耗等方面都已经取得了重大进步，部分已经报道的工作甚至取得了可以比拟已经商用的铌酸锂调制器的性能结果。然而，由于等离子体色散效应天然的光吸收特性以及与对外加电压的非线性响应，现有硅基电光调制器不仅光插入损耗较大，同时在采用更高级调制方式时会导致信号畸变。此外，由于基于载流子耗尽机制的硅中等离子体色散效应较弱，硅基电光调制器(主要指马赫-曾德型电
光调制器)通常需要较大的相移臂长度才能实现足够的调制深度，而较大的相移长度又意味着较长的共面波导行波电极，这使得以电极微波损耗为主要带宽限制的调制器有源传输线结构面临着约为50ghz的传输带宽极限。虽然采用掺杂优化降低pn结串联电阻、单驱动推挽式结构降低驱动电容、采用铜电极以及ti/tin/alcu电极材料降低电极损耗、通过衬底去除技术减小衬底微波损耗等技术方案已经被证明可以有效改善高频下行波电极的微波损耗，但是这些技术也难以根本上解决现有硅基电光调制器的带宽瓶颈和面临的性能折衷问题。
5.近几年来，异质集成非线性电光材料的硅基混合电光调制器成为了一个新的非常活跃的研究领域。其中有机聚合物电光材料因其具有较强的电光系数(r33)、超快的响应速度、低色散以及易于集成等优点成为了硅基混合电光调制器的绝佳选择。通过结合硅基波导结构超强的光限制特性以及有机聚合物电光材料较强的电光效应，混合硅基电光调制器被理论和实验证实可以实现超低电压、超小尺寸、超高带宽电光调制。相比硅波导，氮化硅波导不仅同样具有超低损耗、超紧凑和cmos工艺兼容等优点，同时还具有折射率与有机聚合物相近以及较好的热稳定性等硅波导所不具备的优点。因此，氮化硅波导被认为非常适合于与有机聚合物材料集成实现混合电光调制器。此外，氮化硅材料虽然是无源光器件的绝佳选择，但由于无法实现掺杂，在有源器件领域仍处于空白。采用氮化硅波导和有机聚合物材料实现混合电光调制对于氮化硅基的光电集成方案意义重大，同时由于氮化硅波导的cmos后工艺兼容特点，开展氮化硅基光电集成有望为硅基光电子三维集成提供一个绝佳的技术方案。
6.因此，提供一种基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器，实现更高性能、更低制造成本同时具有更高热稳定性的电光调制器是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器。
8.为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
9.基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器，包括两个1
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2氮化硅波导mmi耦合器、四个纵向绝热模斑转换器、两个有机聚合物光波导相移器、一个gsg单驱动推挽式共面波导行波电极，其特征在于：采用所述两个1
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2氮化硅波导mmi耦合器分别进行光分束/合束功能；采用所述四个纵向绝热模斑转换器实现氮化硅波导和有机聚合物波导之间的光耦合；采用所述两个有机聚合物光波导相移器构成马赫-曾德调制器中的两个光学相移臂，实现光学相位调制；采用一个gsg单驱动推挽式共面波导行波电极实现微波电信号的加载和器件的电学驱动。
10.优选的，所述的四个纵向绝热模斑转换器由位于芯片下层的倒锥形氮化硅波导和位于芯片上层的有机聚合物波导在纵向交叠而成，两层波导芯层由一层二氧化硅隔离；其中两个纵向绝热模斑转换器连接实现光分束功能的1
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2氮化硅波导mmi耦合器的两个输出波导，实现光由下层氮化硅波导到上层有机聚合物波导的光绝热传递；另外两个纵向绝热模斑转换器连接实现光合束功能的1
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2氮化硅波导mmi耦合器的两个输入波导，实现光由
上层有机聚合物波导到下层氮化硅波导的光绝热传递。
11.优选的，所述的氮化硅波导通过氮化硅刻蚀形成脊形波导结构，而有机聚合物波导则通过二氧化硅包层的刻蚀和有机聚合物的旋涂形成倒脊形波导结构，氮化硅波导和有机聚合物波导的上下对准交叠通过二氧化硅刻蚀槽和氮化硅脊波导的对准来实现。
12.优选的，所述的有机聚合物波导采用有机聚合物非线性电光材料制作而成，有机聚合物非线性电光材料具有较强的pockels效应，能在电场作用下产生折射率的较大改变。
13.优选的，所述的gsg单驱动推挽式共面波导行波电极位于二氧化硅包层上方和两个有机聚合物倒脊形波导的两侧，通过电极加电压可以对有机聚合物材料进行极化和折射率改变，从而实现有机聚合物波导内的光相位调制。
14.优选的，所述的两个有机聚合物光波导相移器通过四个纵向绝热模斑转换器的波导间光传递和两个1
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2氮化硅波导mmi耦合器的光分束/合束功能可实现光相位调制到光强度调制的转换，通过gsg单驱动推挽式共面波导行波电极上的电信号高速驱动可实现微波电信号到光信号的高速转换，从而实现高速电光强度调制。
15.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种采用基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器，从而实现了有源光调制功能和无源光传输功能由不同材料波导完成；此外，通过采用纵向绝热模斑转换器实现了氮化硅波导和有机聚合物波导之间的绝热光传递实现了有机聚合物波导光相位调制器和氮化硅波导之间的无损耗光学连接。上述技术特点使得一个同时兼具低插入损耗、高传输带宽、高线性度、低制造成本的电光调制器成为可能。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提供的基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器的结构示意图。
18.图2为本发明提供的基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器的纵向绝热模斑转换器波导结构截面图，图1中的a-a
′
截面。
19.图3为本发明提供的基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器的移相器结构截面图，图1中的b-b
′
截面。
20.图4为本发明提供的采用具体实施例实现的100gb/s非归零码(nrz)光调制眼图仿真结果。
21.图5为本发明提供的采用具体实施例实现的50gbaud/s(100gb/s)四级脉冲幅度(pam4)光调制眼图仿真结果。
22.其中：101为1
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2氮化硅波导mmi耦合器，102为氮化硅/有机聚合物混合波导纵向绝热模斑转换器，103为有机聚合物光波导相移器，104为gsg单驱动推挽式共面波导行波电极，201为有机聚合物波导，202二氧化硅层(氮化硅波导的上包层以及氮化硅波导与有机聚合物波导的隔离层)，203为氮化硅波导，204为二氧化硅层(氮化硅波导的下包层)，205为硅
衬底。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
24.本发明实施例公开了一种基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器。
25.如图1所示为基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器结构示意图，可以看到主要由1
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2氮化硅波导mmi耦合器(101)、纵向绝热模斑转换器(102)、有机聚合物光波导相移器(103)、gsg单驱动推挽式共面波导行波电极(104)组成，其中1
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2氮化硅波导mmi耦合器(101)既在输入光端口做光学分束器又在输出光端口做光学合束器。当一束光信号从输入光端口进入该结构时，通过左侧1
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2氮化硅波导mmi耦合器(101)进行分束，在纵向绝热模斑转换器(102)的作用下，光信号完成了从氮化硅波导(203)到有机聚合物波导(201)的传输。为完成光信号的相位调制，对gsg推挽式共面行波电极(104)加上驱动电压，通过利用有机聚合物波导的pockels效应对光信号进行相位调制，调制完成后，经过右侧纵向绝热模斑转换器(102)完成光信号从有机聚合物波导(201)到氮化硅波导(203)的传输，再通过1
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2氮化硅波导mmi耦合器(101)进行合束，最后输出已调制的光信号，达到强度调制的目的。
26.如图2所示为基于氮化硅/有机聚合物混合波导纵向绝热模斑转换器截面图，光信号由氮化硅波导(203)通过纵向光耦合传输到有机聚合物波导(201)中，其中w1、w2、h1、h2、h3、h4、h5、d1参数均可进行优化设计。
27.如图3所示为基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器的移相器结构截面图，在gsg共面波导行波电极(104)的驱动电压作用下，光信号在有机聚合物波导中相位发生变化，其中d2也可进行优化设计。
28.为了对基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器的性能进行初步仿真验证，我们采用了器件中各个组成部分的具体实施例进行了仿真计算，并最终通过了光电子线路级仿真工具对基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器进行了性能验证。为了仿真测试高速马赫-曾德电光调制器的非归零码(nrz)调制，我们采用了一个prbs信号发生器和nrz码型发生器对基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器进行码型输入，而对于测试高速电光调制器的四级脉冲幅度光调制(pam4)调制，我们采用了一个prbs信号发生器和一个pam4码型发生器对基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器进行码型输入。仿真测试时，我们在输入光端口前连接一个波长为1550nm的连续波激光器，输出光端口连接一个光电探测器，将光信号转换为电信号，后由眼图分析仪输出眼图结果。为了模拟现有示波器的光口测试带宽极限，我们将仿真中光电探测器的带宽设计为65ghz。图4所示为本发明所述的基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器在光波长为1550nm处的100gb/s的nrz调制眼图结果，其中调制器驱动电压摆幅为0到2v。从仿真结果可以看出在100gb/s时，眼图的消光比与抖动均有较好的结果。
图5所示为本发明所述的基于氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器在光波长为1550nm处的50gbaud/s(100gb/s)的pam4调制眼图结果，此时使用了四种不同等级的驱动电压，分别是0.5到1.5v以及1到2v。需要指出的是，以上得到的眼图结果均受限于仿真中设置的测试带宽极限，器件的动态性能远远要超过所展示的眼图结果。此外，通过对w1、w2、h1、h2、h3、h4、h5、d1、d2等参数进行优化以及提高驱动电压摆幅，还可以继续提升所发明的氮化硅/有机聚合物混合波导结构的高速电光调制器的整体性能。
29.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。