一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器。该滤波器包括SOI衬底、波导以及移相布拉格光栅结构、第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜，所述SOI衬底上方设置波导，所述波导含有移相布拉格光栅结构，所述移相布拉格光栅结构上方的移相区域设置第一非易失性相变材料薄膜，所述移相布拉格光栅结构上方的均匀光栅区域设置第二非易失性相变材料薄膜，所述第一非易失性相变材料薄膜设置在所述第二非易失性相变材料薄膜之间。该滤波器在保证传输损耗仅0.76dB的前提下同时实现传输功率不变中心波长偏移和传输中心波长不变功率调谐的功能。心波长不变功率调谐的功能。心波长不变功率调谐的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器


[0001]本专利技术属于半导体和光电集成领域，特别涉及一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器。

技术介绍

[0002]随着硅基晶体管尺寸的不断缩小，当下的集成电路芯片正面临着来自于功耗和速度两方面的瓶颈，光子集成芯片凭借高速、高并行度以及能耗低等优势有潜力成为突破传统集成电路限制的下一代硬件平台。硅基光电子，利用微电子行业中高度发达的CMOS制造工艺，可以把光学器件、电学器件、光电器件集中在同一硅衬底上，是实现大规模光子集成芯片的主要发展方向。
[0003]硅光滤波器是硅基光电子芯片中的关键器件，可以实现对输入光波长的选择，在波分复用系统和片上光学信号处理等应用场景中至关重要。现有研究中实现硅光滤波器的技术方案主要有马赫曾德尔干涉仪、光子晶体纳米束微腔、微环谐振器和布拉格光栅等。但是，这些器件的传输特性完全由器件的结构参数而确定，制备完成后不能随应用的需求而更改。这类器件通常还具有较高的工艺敏感性，如果因为工艺误差导致器件的传输特性与设计发生偏差，只能通过外部加热或加电的方式进行补偿，增加了器件的总功耗。现有的可重构硅光滤波器通常是利用热光或电光效应改变材料折射率，调制效率低的同时还会引入额外损耗，可调节的功能也大多局限于波长的偏移。因此研究和设计新型的低功耗可重构硅光滤波器成为硅光集成电路发展的关键技术之一。
[0004]相变材料是一种有高光学对比度的非易失性材料，可以通过施加纳秒级的电/光脉冲在非晶相和结晶相之间快速重复地连续调节，在外部激励关闭后依然可以保持最终的材料性质，在传统的硅光滤波器中引入特定光学特性的相变材料可以在零静态功耗的条件下实现多功能的可重构硅光滤波器。2021年，S.Hadi Bardi等人通过集成相变材料Ge2Sb2Te5(GST)到布拉格光栅波导上，实现了8.8纳米的波长红移，而传输振幅可从0.544调制到0.007。然而GST的插入损耗大不利于滤波器在大规模集成中的应用，并且采用谐振波长红移实现的传输振幅调谐会为其他波长通道的信号引入串扰。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，以克服现有可重构硅基光滤波器调谐功能单一、静态功耗大等缺陷。
[0006]本专利技术提供一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，包括SOI衬底、波导以及移相布拉格光栅结构、第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜，所述SOI衬底上方设置波导，所述波导含有移相布拉格光栅结构，所述移相布拉格光栅结构上方的移相区域设置第一非易失性相变材料薄膜，所述移相布拉格光栅结构上方的均匀光栅区域设置第二非易失性相变材料薄膜，所述第一非易失性相变材料薄膜设置在所述第二非易失性相变材料薄膜之间。
[0007]优选地，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层和顶层硅。
[0008]优选地，所述滤波器还包括上包层，所述上包层设置在第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜上方。
[0009]优选地，所述上包层为二氧化硅薄膜。
[0010]优选地，所述第一非易失性相变材料薄膜为Ge2Sb2Se4Te1薄膜。
[0011]优选地，所述第二非易失性相变材料薄膜为Sb2Se3薄膜。
[0012]上述第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜可以根据不同的器件功能需求采用其他具备不同光学特性的相变材料。
[0013]优选地，所述波导包括硅波导和/或氮化硅波导。
[0014]优选地，所述波导厚度为200～240nm。
[0015]优选地，所述第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜厚度为10～50nm。
[0016]优选地，所述布拉格光栅周期为300～330nm，布拉格光栅占空比为0.3～0.7，布拉格光栅侧壁刻蚀深度10～100nm。
[0017]优选地，所述波导为带掺杂的波导；所述带掺杂的波导为N型掺杂和P型掺杂的波导。
[0018]优选地，所述移相布拉格光栅结构为π相移布拉格光栅结构。
[0019]优选地，所述波导为单模波导。
[0020]本专利技术还提供一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器的制备方法，包括：
[0021](1)提供SOI衬底，在SOI衬底上方选定布拉格光栅周期等宽的区域通过电子束曝光形成第一非易失性相变材料区域窗口生长第一非易失性相变材料薄膜，剥离光刻胶；
[0022](2)在衬底上方第一非易失性相变材料两侧区域通过电子束曝光形成第二非易失性相变材料区域窗口生长第二非易失性相变材料薄膜，剥离光刻胶，所述第一非易失性相变材料薄膜设置在所述第二非易失性相变材料薄膜之间；
[0023](3)通过电子束曝光及刻蚀形成波导结构及布拉格光栅结构；
[0024](4)通过离子注入形成PIN掺杂区；
[0025]或者
[0026](1)提供SOI衬底，通过电子束曝光及刻蚀形成波导结构及布拉格光栅结构；
[0027](2)通过离子注入形成PIN掺杂区；
[0028](3)在波导的均匀布拉格光栅区域通过电子束曝光形成第二非易失性相变材料区域窗口生长第二非易失性相变材料薄膜，剥离光刻胶；
[0029](4)在波导中心移相区通过电子束曝光形成第一非易失性相变材料区域窗口生长第一非易失性相变材料薄膜，剥离光刻胶，所述第一非易失性相变材料薄膜设置在所述第二非易失性相变材料薄膜之间。
[0030]优选地，在布拉格光栅上制备上包层。
[0031]本专利技术还提供一种上述基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器在波分复用系统、光谱整形或片上信号处理器中的应用。
[0032]本专利技术涉及的布拉格光栅结构可根据器件工作波段需要，设计出适用于各种波段的光滤波器。
[0033]有益效果
[0034]本专利技术采用非易失性相变材料叠加作用(比如无损耗的Sb2Se3和仅晶态有损耗的Ge2Sb2Se4Te1两种损耗特性的相变材料叠加作用)，在保证传输损耗仅0.76dB的前提下同时实现传输功率不变中心波长偏移(波长调节范围～10nm)和传输中心波长不变功率调谐(功率调节范围～15dB)的功能。在均匀布拉格光栅结构上方的均匀光栅区域设置的无损第二非易失性相变材料薄膜保证在波长调谐时不引入额外的插入损耗，而在布拉格光栅结构上方的移相区域设置可从无损过渡到有损的第一非易失性相变材料薄膜通过吸收入射光实现对入射光光强的调谐，不同于调谐谐振波长实现的消光，这种方法不会给相邻光通道引入串扰。
附图说明
[0035]图1为现有技术滤波器的结构剖视图(a)和俯视图(b)。
[0036]图2为本专利技术滤波器的结构剖视图(a)和俯视图(b)。
[0037]图3为SOI衬底的结构剖视图。
[0038]图4为实施例1中衬底上方生长Sb2Se3薄膜并剥离光刻胶后的结构剖视图。
[0039]图5为实施例1中在衬底上方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，其特征在于，包括SOI衬底、波导以及移相布拉格光栅结构、第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜，所述SOI衬底上方设置波导，所述波导含有移相布拉格光栅结构，所述移相布拉格光栅结构上方的移相区域设置第一非易失性相变材料薄膜，所述移相布拉格光栅结构上方的均匀光栅区域设置第二非易失性相变材料薄膜，所述第一非易失性相变材料薄膜设置在所述第二非易失性相变材料薄膜之间。2.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，其特征在于，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层和顶层硅。3.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括上包层，所述上包层设置在第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜上方。4.根据权利要求3所述的基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，其特征在于，所述上包层为二氧化硅薄膜。5.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，其特征在于，所述第一非易失性相变材料薄膜为Ge2Sb2Se4Te1薄膜；第二非易失性相变材料薄膜为Sb2Se3薄膜。6.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的非易失性可重构滤波器，其特征在于，所述波导厚度为200～240nm；第一非易失性相变材料薄膜和第二非易失性相变材料薄膜厚度为10～50nm；布拉格光栅周期为300～330nm，布拉格光栅占空比为0.3～0.7，布拉格光栅侧壁刻蚀深度10～100n...

【专利技术属性】
技术研发人员：武爱民，李文霏，吴龙生，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：