一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器制造技术

一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，属于光子集成技术领域。电光调制下，由衬底层、包覆层、第三层波导芯层、第二层波导芯层、第一层波导芯层、金属电极及其连接线、填充金属的介质孔、N型掺杂区和P型掺杂区组成；热光调制下，由衬底层、包覆层、第三层波导芯层、第二层波导芯层、第一层波导芯层、金属电极及其连接线组成。通过采用弯曲波导连接的方式使得第一层波导芯层、第二层波导芯层和第三层波导芯层间设置有信号交互单元，在信号交互单元存在层间定向耦合效果。在电光调制或热光调制时，层间耦合系数最低，使得入射光保持传播路径不变，沿入射端所在层的波导进行传输，从而实现三层堆栈光子集成芯片的可重构信号交互功能。功能。功能。

【技术实现步骤摘要】
一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器


[0001]本专利技术属于光子集成
，具体涉及一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器。

技术介绍

[0002]随着云计算、大数据和物联网信息处理速度的逐年提升，电子集成芯片已经无法完全支持如此高的信息密度和网络带宽，采用CMOS工艺制备的光子集成芯片由于具有更强的信息处理能力和更快的数据传输速率已受到广泛关注。随着全球光纤信息网络化的迅猛发展，基于光波导集成技术的光子芯片已被广泛用于高速光通信系统的构建中。目前商用的光子芯片主要以单层平面光波导集成回路构成，这限制了芯片单位尺寸内光信息量的扩容、信道数的拓展和光信号交互的灵活性。而实现多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器的设计与开发是解决其问题的关键。相关技术可实现光子模块中高速高密度片上光互连的三维集成构想，在超级计算机、光子雷达、光量子通信等领域具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有单层平面光波导技术的不足，提出了一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，通过对层间光波导有效折射率的电光及热光调制效应，利用光波导耦合技术，实现多层间光信号的灵活交互，解决高速高密度片上光互连中可重构三维集成的技术难点。
[0004]本专利技术以三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器为例，为解决上述难点问题，采用以下技术方案：
[0005]如附图1所示，电光调制下，一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器由衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、第二层波导芯层4、第一层波导芯层5、金属电极及其连接线6(每个金属电极及其连接线6均分为两部分，一部分接外部电源负电极、另一部分接外部电源正电极)、填充金属的介质孔7(介质孔7用于电极6与N型掺杂区8、P型掺杂区9间的电连接)、N型掺杂区8和P型掺杂区9组成。
[0006]在电光调制下，本专利技术所述耦合器由底层向上排列顺序依次为衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、包覆层2、第二层波导芯层4、包覆层2、第一层波导芯层5、金属电极及其连接线6，并且第一层波导芯层5、第二层波导芯层4、第三层波导芯层3刻蚀后的空间均由包覆层2填充；第一层波导芯层5、第二层波导芯层4、第三层波导芯层3均为脊型结构，所述的脊型结构的截面如附图1(b)、1(c)中3、4、5所示，由上、下两个尺寸不同的长方形波导组合而成，底部长方形波导的宽度为脊型结构的宽度，底部长方形波导的高度为脊型波导的高度，顶部长方形波导的宽度为芯层波导的宽度，底部长方形波导的高度和顶部长方形波导的高度之和为芯层波导的高度。
[0007]如附图1(d)所示，通过采用弯曲波导连接方式使得第一层波导芯层5、第二层波导芯层4和第三层波导芯层3在同一俯视图下设置有信号交互单元，在信号交互单元存在层间
定向耦合效果。在第二层波导芯层4与第三层波导芯层3之间设置有2处信号交互单元，位于附图1(d)中左下和右下位置；在第一层波导芯层5与第二层波导芯层4之间设置有1处信号交互单元，位于附图1(d)中间上部位置。金属电极及其连接线6位于信号交互单元正上方包覆层2的上表面。在信号交互单元内，第二层波导芯层4的左侧脊表面为N型掺杂区8，右侧脊表面为P型掺杂区9；第一层波导芯层5的左侧脊表面为N型掺杂区8，右侧脊表面为P型掺杂区9；对N型掺杂区8和P型掺杂区9所在位置正上方的包覆层2进行打孔，填充导电金属得到介质孔7(因第二层波导芯层4与第一层波导芯层5相对于芯片表面金属电极及其连接线6的垂直高度不同，故位于第二层波导芯层4上方的介质孔与位于第一层波导芯层5上方的介质孔深度不同)。第一层波导芯层5和第二层波导芯层4的P型掺杂区9通过介质孔7连接到金属电极及其连接线6，作为正电极用于连接外部电压；第一层波导芯层5和第二层波导芯层4的N型掺杂区8通过介质孔7连接到金属电极及其连接线6，作为负电极用于连接外部电压。为更好描述本专利技术的三维结构，图1(a)中使用黑色箭头划定层间信号交互单元，图1(a)中a、b、c三处截面如图1(b)、(c)所示。
[0008]如附图2所示，热光调制下，一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器由衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、第二层波导芯层4、第一层波导芯层5、金属电极及其连接线6
‑
1和6
‑
2组成。
[0009]在热光调制下，本专利技术所述耦合器由底层向上排列顺序依次为衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、包覆层2、第二层波导芯层4、包覆层2、金属电极及其连接线6
‑
2、第一层波导芯层5和金属电极及其连接线6
‑
1，且第一层波导芯层5、第二层波导芯层4、第三层波导芯层3所在层刻蚀后的空间由包覆层2填充；如附图2(d)所示，通过采用弯曲波导连接的方式使得第一层波导芯层5、第二层波导芯层4和第三层波导芯层3在同一俯视图下设置有信号交互单元，在信号交互单元存在层间定向耦合效果，在第二层波导芯层4与第三层波导芯层3之间设置有2处信号交互单元，位于附图2(d)中左下和右下位置，在第一层波导芯层5与第二层波导芯层4之间设置有1处信号交互单元，位于附图2(d)中间上部位置。金属电极及其连接线6
‑
2位于第二层波导芯层4与第三层波导芯层3之间2处信号交互单元正上方包覆层2内，用于给信号交互单元内的第二层波导芯层4进行加热；金属电极及其连接线6
‑
1位于第一层波导芯层5与第二层波导芯层4之间1处信号交互单元正上方包覆层2的上表面，用于给信号交互单元内的第一层波导芯层5进行加热(热光调制是利用电流通过热电极时产生的热量从而实现调制效果，同一处电极仅需确保接触电极两端连接至外部电源正负两极即可)。为更好描述本专利技术的三维结构，图2(a)中使用黑色箭头划定信号交互单元，图2(a)中a、b、c三处截面如图2(b)、(c)所示。
[0010]所述衬底层1材料为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)中的任意一种。
[0011]所述的包覆层2材料为二氧化硅(SiO2)、EpoCore、EpoClad、P(MMA
‑
GMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)中的一种。
[0012]所述的第三层波导芯层3、第二层波导芯层4和第一层波导芯层5材料为Si、FSU
‑
8、SU
‑
8 2002、SU
‑
8 2005、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)中的一种。
[0013]所述的金属电极及其连接线6材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种组成的合金。
[0014]所述的介质孔7填充材料为钨。
[0015]所述的N型掺杂8为低浓度、中浓度、高浓度或其他自定义浓度中N型掺杂的一种。
所述的P型掺杂9为低浓度、中浓度、高浓度或其他自定义浓度中P型掺杂的一种。
[0016]如附图3所示，所述的一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，应用于3层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，其特征在于：电光调制下，由衬底层(1)、包覆层(2)、第三层波导芯层(3)、第二层波导芯层(4)、第一层波导芯层(5)、金属电极及其连接线(6)、介质孔(7)、N型掺杂区(8)和P型掺杂区(9)组成；由底层向上排列顺序依次为衬底层(1)、包覆层(2)、第三层波导芯层(3)、包覆层(2)、第二层波导芯层(4)、包覆层(2)、第一层波导芯层(5)、金属电极及其连接线(6)，并且第一层波导芯层(5)、第二层波导芯层(4)、第三层波导芯层(3)刻蚀后的空间均由包覆层(2)填充；第一层波导芯层(5)、第二层波导芯层(4)、第三层波导芯层(3)均为脊型结构；通过采用弯曲波导连接方式使得第一层波导芯层(5)、第二层波导芯层(4)和第三层波导芯层(3)设置有信号交互单元，在信号交互单元存在层间定向耦合效果；在第二层波导芯层(4)与第三层波导芯层(3)之间设置有2处信号交互单元，在第一层波导芯层(5)与第二层波导芯层(4)之间设置有1处信号交互单元，金属电极及其连接线(6)位于信号交互单元正上方包覆层(2)的上表面；在信号交互单元内，第二层波导芯层(4)的左侧脊表面为N型掺杂区(8)，右侧脊表面为P型掺杂区(9)；第一层波导芯层(5)的左侧脊表面为N型掺杂区(8)，右侧脊表面为P型掺杂区(9)；对N型掺杂区(8)和P型掺杂区(9)所在位置正上方的包覆层(2)进行打孔，填充导电金属得到介质孔(7)；第一层波导芯层(5)和第二层波导芯层(4)的P型掺杂区(9)通过介质孔(7)连接到金属电极及其连接线(6)，作为正电极用于连接外部电压；第一层波导芯层(5)和第二层波导芯层(4)的N型掺杂区(8)通过介质孔(7)连接到金属电极及其连接线(6)，作为负电极用于连接外部电压。2.一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，其特征在于：热光调制下，由衬底层(1)、包覆层(2)、第三层波导芯层(3)、第二层波导芯层(4)、第一层波导芯层(5)、金属电极及其连接线(6
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1)和(6
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2)组成；由底层向上排列顺序依次为衬底层(1)、包覆层(2)、第三层波导芯层(3)、包覆层(2)、第二层波导芯层(4)、包覆层(2)、金属电极及其连接线(6
‑
2)、第一层波导芯层(5)和金属电极及其连接线(6
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1)，且第一层波导芯层(5)、第二层波导芯层(4)、第三层波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长鸣，岳建，尹悦鑫，王春雪，廉天航，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：