一种soi基结构的电光逻辑门的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种娃基光子学及忍片级光互联技术，尤其设及一种新型SOI基结构 的电光逻辑口。
【背景技术】
[0002] 随着互联网的日益膨胀和信息技术的不断进步，对于信息处理速度的要求也在不 断增长。尽管全光信息处理系统的运算速度要远远高于电子系统，但目前的数字通信系统 还没有深入光学领域。但在现有基于电子技术的通信网中，网络的各个节点要完成光一 电一光的转换，其中的电子器件受限于器件工作上限速率40化/s，在适应高速、大容量的需 求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的 "电子瓶颈"现象，难W完成高速宽带综合业务的传送和交换处理。由于现阶段真正的全光 网络尚无法实现，光电转换效率就成为了高速网络的关键。随着通信系统发展对于高速要 求的不断提高，娃材料W其独特的含量高、易集成、可与CMOS兼容的优势受到了强烈的关 注。光通信领域中可W利用娃材料的特点实现低损耗、高性能、高速的光连接用W克服微电 子忍片集成过程中越来越多的电学连接所带来的限制:比如RC延迟，信号变形等问题。
[0003] 光子的传播速度是3X IO8米/秒，是电子传播速度的500倍，因而光子计算机具有 超高的运算速度，使光子计算机的计算速度达1〇 2^秒，在技术上可实现1〇12~l〇is次/秒的 计算速度和lOOGb/s的传输能力。
[0004] 受光网络发展需求的推动，SOI材料近年来在光电子领域中的应用发展极为迅速。 基于SOI材料制作集成光波导器件具有基于其他传统光学材料的光子器件所无法比拟的技 术优势，具体包括W下几点：1、与标准娃基CMOS ( comp Iementary metal-oxide-semiconductor)工艺完全兼容 ，制备工艺成熟、方便而且价格低廉; 2、可 W在SOI上 同时制 作有源器件和无源器件，便于实现单片光电混合集成（OEIC) ;3、由于光波导忍层SiU = 3.45)和包层Si化(n=l.46)的折射率差很大，波导具有很强的光学限制作用，波导的尺寸 和弯曲半径可W做得很小，因此基于SOI的光子集成忍片有很小的忍片尺寸和很高的集成 度，而且能够实现=维的大规模集成;4、器件的损耗很小，模式特性和偏振特性很好，而且 传输带宽很大;5、器件的导热性能好，高频特性明显优于Si02材料;6、用于全光互连的光子 回路的运算速度将比目前的电子回路快约IO 4倍。
[0005] 娃作为光学材料，具有很强的载流子色散效应，通过利用载流子色散效应，改变折 射率分布和吸收系数，可W实现对光波的调制或切换，继而实现作为光通信系统和光网络 中关键器件的光调制器和光开关等，进而实现逻辑口操作。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型SOI基结构的电 光逻辑口，其具有禪合调制功能一体化、传输损耗低、响应速率快、低压等潜在的特性和优 点，另外其制作工艺与COMS工艺兼容。
[0007] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0008] -种SOI基结构的电光逻辑口，包括基于SOI材料制作的单模脊型波导，所述单模 脊型波导包括直波导和钩型波导两部分，所述钩型波导包括端面对端面顺次连接的第一禪 合区、第一半环波导、S-Bend、第二禪合区和第二半环波导，S-Bend为中屯、对称结构，第一禪 合区和第二禪合区在一条直线上，第一半环波导和第二半环波导均为1/2圆环，且第一半环 波导和第二半环波导的环口正对;钩型波导位于直波导的一侧，且钩型波导的第一禪合区 和第二禪合区与直波导相平行；
[0009] 所述第一禪合区和第二禪合区的单模脊型波导中嵌入电学结构，电学结构为P-I-N结构，在第一禪合区和第二禪合区上方各设置有一个共面波导电极，共面波导电极与电学 结构形成电学接触，通过共面波导电极向第一禪合区和第二禪合区加载模拟电信号；
[0010] 所述直波导的一端作为电光逻辑口与外接单模光纤的接口，用于引入输入光波， 直波导的另一端作为电光逻辑口的第一输出端，用于实现逻辑口功能；第二半环波导的末 端作为电光逻辑口的第二输出端，用于实现禪合信号的单独输出。
[0011] 优选的，所述第一半环波导的半径小于第二半环波导的半径，W便于通过辅助输 出波导延伸第二输出端。
[0012] 优选的，根据第一禪合区和第二禪合区的长度，第一半环波导和第二半环波导的 半径，在第一半环波导和S-Bend之间设置一段辅助直波导，辅助直波导的两端通过端面对 端面方式分别与第一半环波导和S-Bend连接;通过辅助直波导能够保证钩型波导为规则的 几何形状，在保证结构的美观性同时，简化结构的整体分析。
[0013] 优选的，所述第一禪合区的末端通过端面对端面的方式连接有一段弯曲波导，弯 曲波导的末端远离直波导;弯曲波导的设计能够防止第一禪合区的末端散出去的能量对直 波导产生影响。
[0014] 优选的，所述第二半环波导的末端通过端面对端面的方式连接有一段辅助输出波 导，通过辅助输出波导延伸第二输出端;辅助输出波导的设计能够使第一输出端和第二输 出端在同一平面上，方便外接信号；同时结合第一半环波导和第一半环波导的半径设计，可 W让辅助输出波导远离钩型波导，避免钩型波导与辅助输出波导之间的相互影响，同时也 避免弯曲波导末端散出去的能量对辅助输出波导产生影响。
[0015] 本发明的最大特征在于采用了 A/D转换的方式，将模拟电信号转换为数字光信号 输出，具体实现过程为:两个偶合区采用P-I-N结构，利用SOI的载流子色散效应，通过改变 加载在两个偶合区的模拟电信号的强度，可W改变禪合区中载流子浓度，由于载流子的色 散效应，引起禪合区折射率的变化（即引起禪合器的禪合效率的变化），输入光波通过直波 导对应位置时会产生相应的相位变化，当达到相位匹配的情况时，光能就从直波导禪合到 禪合器，我们对第一输出端输出的光能进行检测，就能间接知道禪合效率的大小，将对光波 的相位调制转换成对光能的强度调制。本发明可W分别对两个偶合区的模拟电信号进行控 审IJ，能够在第一输出端实现逻辑口功能，还能够在第二输出端实现禪合信号的单独输出，通 过对模拟电信号的调制，可W控制第二输出端输出的能量大小。
[0016] 有益效果:本发明提供的SOI基结构的电光逻辑口，钩型波导的设计有效减小了运 个器件的面积;该器件在完成禪合的同时能够实现高速调制，快速完成模拟电信号到数字 光信号的转换，实现超快电光逻辑口操作，可W在高速通信网络中获得应用。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的平面示意图；
[0018] 图2为本发明中禪合区的剖面结构示意图；
[0019]图3为实施例要实现的或非逻辑n的示意图；
[0020]图4为实施例的逻辑功能仿真效果图。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0022] 本发明是基于SOI材料设计的娃基电光逻辑口，为了达到最佳设计效果，对单模脊 型波导的尺寸要求也根据设计目的而有所不同；本案对单模脊型波导的尺寸设计如下:顶 层Si厚度为340nm，Si〇2厚度为2皿。
[0023] 如图1所示，为一种SOI基结构的电光逻辑口，包括基于SOI材料制作的单模脊型波 导，所述单模脊型波导包括直波导1和钩型波导两部分，钩型波导位于直波导1的一侧;所述 钩型波导包括端面对端面顺次连接的弯曲波导6、第一禪合区3-1、第一半环波导2-1、辅助 直波导5、S-Bend4、第二禪合区3-2、第二半环波导2-2和辅助输出波导7。
[0024] 所述弯曲波导6的末端远离直波导1;第一禪合区3-1和第二禪合区3-2在一条直线 上，第一禪合区3-1和第二禪合区3-2与直波导1相平行;第一半环波导2-1和第二半环波导 2-2均为1/2圆环，第一半环波导2-1的半径小于第二半