一种热光移相器的制作方法

本申请涉及光通信电子器件，特别涉及一种热光移相器。

背景技术：

1、热光移相器作为硅光子学通信平台不可或缺的基本组件之一，在光传感、光开关、光通信、光神经网络、量子光学计算以及激光雷达等领域具有广泛应用。热光型移相器的主要是依托于光波导，以及用于提供热源、对波导进行热光调控的加热器。外界的电压(或电流)提供电功率在加热器上转化为热能后会通过热传导改变光波导的温度，进而改变波导的有效折射率。在硅光子技术领域，通过热光移相器的功耗、调制速度、工艺难度来衡量该器件的性能。

2、在现有技术领域，为了降低热光移相器功耗通常采用两种技术方案。第一种是通过在芯层波导附近刻蚀隔热槽或掏空包层与衬底，利用空气热导率低的特性将热量集中于芯层波导附近，以此减少热量耗散，从而提高加热器的加热效率。第二种是利用加热器热场远大于波导模场的特点，设计并制作高密度波导或波导复用的方式来增加热场与模场的重叠积分，以此实现对热量的高效利用率，进而提高热光移相器的移相效率。由于空气的低导热率特性，第一种技术方案实现的移相器调制速度较低。高密度波导或波导复用的方式，使得第二种技术方案实现的移相器工艺难度较高。

3、在提高热光移相器的响应速度方面，研究人员提出采用二维材料和掺杂硅来代替金属加热器以实现热光移相器的快速响应。然而，该方案使得移相器的制备过程变得相对复杂。尤其是基于二维材料的微加热器需要较为复杂的制造和转移工艺，其与cmos(complementary metal oxide semiconductor,互补金属氧化物半导体)技术不兼容，工艺难度较高。

4、综上所述，亟需一种同时具有低功耗、高调制速度、低工艺难度的热光移相器，以缓解现有技术的不足。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本申请的目的是在现有的热光移相器基础上，通过引入新组件、优化器件结构，提供出一种具有低功耗、高调制速度、低工艺难度的热光移相器。

3、(二)技术方案

4、根据一些实施例，本申请的提供了一种热光移相器，包括：衬底；包覆层，包覆层形成在衬底上方；芯层波导,芯层波导形成在包覆层内部；加热层,加热层形成在芯层波导的侧面；传热结构,传热结构同时与加热层及芯层波导相接，形成在芯层波导和加热层的上方和/或下方，用于将加热层产生的热能传递至芯层波导；隔热结构,隔热结构形成在芯层波导上方的包覆层中，用于将加热层产生的热能限制在芯层波导附近。

5、在一个实施例中，传热结构位于芯层波导和加热层的下方；隔热结构形成于芯层波导上，或隔热结构与芯层波导之间形成有包覆层。

6、在一个实施例中，传热结构包括位于芯层波导和加热层上方的第一传热结构和位于芯层波导和加热层下方的第二传热结构。

7、在一个实施例中，如果芯层波导和加热层的上方形成有传热结构，隔热结构形成于传热结构上，或隔热结构与传热结构之间形成有包覆层。

8、在一个实施例中，传热结构与加热层直接接触，且传热结构与芯层波导直接接触。

9、在一个实施例中，传热结构包括传热层和传热单元，传热层通过传热单元与加热层相接，且传热层与芯层波导直接接触；其中，传热层和传热单元的材料相同。

10、在一个实施例中，隔热结构为以下一种或多种的组合：条型隔热槽、凹型隔热槽。

11、在一个实施例中，凹型隔热槽包括第一隔热单元和第二隔热单元，第二隔热单元位于第一隔热单元的两端，第二隔热单元底部的位置高于或齐平于第一隔热单元底部的位置。

12、在一个实施例中，条型隔热槽横向分布于芯层波导上方的包覆层中。

13、在一个实施例中，条型隔热槽包括若干第三隔热单元，第三隔热单元纵向分布于芯层波导上方的包覆层中，第三隔热单元之间有间隙。

14、在一个实施例中，隔热结构的顶部与包覆层的顶部齐平。

15、在一个实施例中，隔热结构的宽度大于传热结构的宽度。

16、(三)有益效果

17、本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：在现有器件基础上，增加传热结构和隔热结构,其中传热结构形成在芯层波导和加热层的上方和/或下方；隔热结构形成在芯层波导上方的包覆层中。通过上述设计，相比于现有技术未增加工艺难度，且利用传热结构的高热导率特性将加热层产生的热能直接传至芯层波导，大幅度减小移相器的功耗与响应时间；还利用隔热结构削弱包覆层中的热扩散使热量集中于芯层波导附近，进一步提高移相器性能。

18、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

技术特征：

1.一种热光移相器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述传热结构(5)位于所述芯层波导(3)和所述加热层(4)的下方；所述隔热结构(6)形成于所述芯层波导(3)上，或所述隔热结构(6)与所述芯层波导(3)之间形成有包覆层。

3.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述传热结构(5)包括位于所述芯层波导(3)和所述加热层(4)上方的第一传热结构(51)和位于所述芯层波导(3)和所述加热层(4)下方的第二传热结构(52)。

4.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，如果所述芯层波导(3)和所述加热层(4)的上方形成有所述传热结构(5)，所述隔热结构(6)形成于所述传热结构(5)上，或所述隔热结构(6)与所述传热结构(5)之间形成有包覆层。

5.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述传热结构(5)与所述加热层(4)直接接触，且所述传热结构(5)与芯层波导(3)直接接触。

6.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述传热结构(5)包括传热层(511)和传热单元(512)，所述传热层(511)通过所述传热单元(512)与所述加热层(4)相接，且所述传热层(511)与所述芯层波导(3)直接接触；其中，所述传热层(511)和所述传热单元(512)的材料相同。

7.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述隔热结构(6)为以下一种或多种的组合：条型隔热槽、凹型隔热槽。

8.根据权利要求7所述的移相器，其特征在于，所述凹型隔热槽包括第一隔热单元(61)和第二隔热单元(62)，所述第二隔热单元(62)位于第一隔热单元(61)的两端，所述第二隔热单元底部(62)的位置高于或齐平于第一隔热单元(61)底部的位置。

9.根据权利要求7所述的移相器，其特征在于，所述条型隔热槽横向分布于所述芯层波导(3)上方的包覆层(2)中。

10.根据权利要求7所述的移相器，其特征在于，所述条型隔热槽包括若干第三隔热单元(63)，所述第三隔热单元(63)纵向分布于所述芯层波导(3)上方的包覆层(2)中，所述第三隔热单元(63)之间有间隙。

11.根据权利要求1-10任一所述的移相器，其特征在于，所述隔热结构(6)的顶部与所述包覆层(2)的顶部齐平。

12.根据权利要求1-10任一所述的移相器，其特征在于，所述隔热结构(6)的宽度大于所述传热结构(5)的宽度。

技术总结
本申请公开了一种热光移相器，包括：衬底；包覆层，包覆层形成在衬底上方；芯层波导,芯层波导形成在包覆层内部；加热层,加热层形成在芯层波导的侧面；传热结构,传热结构同时与加热层及芯层波导相接，形成在芯层波导和加热层的上方和/或下方，用于将加热层产生的热能传递至芯层波导；隔热结构,隔热结构形成在芯层波导上方的包覆层中，用于将加热层产生的热能限制在芯层波导附近。本申请提出的技术方案，在未增加工艺难度的前提下，利用传热结构的高热导率特性将加热层产生的热能直接传至芯层波导，大幅度减小移相器的功耗与响应时间；还利用隔热结构削弱包覆层中的热扩散使热量集中于芯层波导附近，进一步提高移相器性能。

技术研发人员：刘敬伟,张甜甜
受保护的技术使用者：国科光芯（海宁）科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15