一種利用光敏電阻反饋降低微腔熱光雙穩(wěn)態(tài)光功率閾值的結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用光敏電阻反饋來降低微腔熱光雙穩(wěn)態(tài)光功率閾值的結構，利用光敏電阻作為微腔加熱器，使微腔折射率調(diào)節(jié)幅度與光功率強度呈正相關，從而增強諧振熱光非線性效應，降低雙穩(wěn)態(tài)的光功率閾值，屬于集成光電子學領域。
【背景技術】
[0002]光學雙穩(wěn)態(tài)(optical bistability, OB)是非線性光學與光電子學交叉領域內(nèi)一個重要的研宄課題，它表示一光學系統(tǒng)在給定輸入光強下，存在兩種不同穩(wěn)定輸出狀態(tài)的現(xiàn)象，亦可描述為輸出和輸入光強曲線之間呈現(xiàn)磁滯回線關系。這種獨特的光學性質(zhì)可以實現(xiàn)多種全光信號處理功能，如邏輯單元、轉(zhuǎn)換開關、存儲元件等，在光通信、光存儲和集成光學中具有廣泛的應用前景(參見 H.Gibbs, Optical Bistability Controlling LightWith Light(Academic, 1985).)。
[0003]光學雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)需同時滿足兩個必要條件:具有非線性光學介質(zhì)和反饋機制。早在上個世紀七十年代末就有學者提出在半導體中實現(xiàn)光學雙穩(wěn)態(tài)，H.M.Gibbs等人在Applied Physics Letters 上發(fā)表的論文“Optical bistability in semiconductors，，中提出基于II1-V族材料GaAs，利用F-P共振腔結構，增強光致激子吸收效應，改變材料折射率，引起吸收峰的漂移，實現(xiàn)了色散型光學雙穩(wěn)態(tài)(參見Gibbs H M, McCall SL,Venkatesan T N C，et al.0ptical bistability in semiconductors[J].AppliedPhysics Letters, 1979，35(6):451-453)。然而用II1-V族材料制作器件成本高，維護費用昂貴；相對而言，硅材料由于其與空氣和二氧化硅之間的高折射率差，具有很強的光場限制能力，可用于制作亞微米級光波導器件；更重要的是硅基光子器件與成熟的CMOS集成電路工藝兼容，具有低制備成本、易大規(guī)模集成的特點，是未來光器件發(fā)展的必然趨勢。
[0004]近年來，基于硅材料的無源及有源集成光電器件被廣泛提出并實現(xiàn)，如光濾波器、光分路器、光調(diào)制器等。同時，作為光存儲和光信號處理運算中的重要器件，光學雙穩(wěn)器件(optical bistability device, OBD)也不斷被報道。目前，國內(nèi)外眾多科研機構已成功設計出多種硅基微腔結構(如微環(huán)、微盤、光子晶體等)，利用微腔作為反饋機制，增強光與物質(zhì)的作用強度，提高硅材料微弱的非線性，來實現(xiàn)光學雙穩(wěn)態(tài)。Michal Lipson等人首次提出了緊湊的硅基微環(huán)結構，利用其極強的光場限制能力，通過熱光效應實現(xiàn)了低功耗的熱光雙穩(wěn)態(tài)(參見 Almeida V R, Lipson M.0ptical bistability on a silicon chip [J].0ptics letters, 2004，29(20):2387-2389)。之后，該團隊在原有的實驗和理論基礎上，使用類似的微環(huán)結構，通過等離子色散效應，在改變輸入激光泵浦條件下，實現(xiàn)了響應時間更短的光學雙穩(wěn)態(tài)(參見 Xu Q, Lipson M.Carrier-1nduced optical bistability insilicon ring resonators [J].0ptics letters, 2006，31 (3): 341-343)。但是在該實驗中，對輸入脈沖激光器的脈寬有嚴格限定，同時需要依賴高速調(diào)制器，以使得等離子色散效應抑制熱光效應，因而其測試系統(tǒng)較為復雜。
[0005]而相對微環(huán)諧振腔結構，光子晶體諧振腔結構具有模式體積小和品質(zhì)因子高的特性，當在光子晶體中引入缺陷，設計耦合腔，會產(chǎn)生局域場增強效應，實現(xiàn)完美的光學雙穩(wěn)態(tài)(參見 Dharanipathy U P, Minkov M, Tonin M, et al.High-Q silicon photoniccrystal cavity for enhanced optical nonlinearities[J].Applied PhysicsLetters, 2014, 105 (10): 101101) ?但是受限于當前的工藝精度要求，實際制備的光子晶體尺寸與設計存在一定誤差，因而無法穩(wěn)定批量生產(chǎn)，使其實際應用受限。
[0006]另一方面，最近陸梁軍等人提出的用p-1-p電阻加熱硅基微環(huán)結構，并實現(xiàn)了光學非互易性傳輸。此結構簡單、系統(tǒng)功耗較小，并且響應時間較短(參見Lu L, Zhou L，LiX, et al.Enhanced Nonlinear Thermo-optic Effect in Silicon Microring Resonatorswith pip Microheaters for Non-reciprocal Transmiss1n[C]//Optical FiberCommunicat1n Conference.0ptical Society of America, 2014:Th2A.27)。
[0007]基于上述結論，我們考慮采用一種在諧振腔內(nèi)集成光敏電阻進行反饋調(diào)節(jié)的硅基熱光雙穩(wěn)態(tài)結構，以獲得更低的雙穩(wěn)態(tài)光功率閾值。這種方法有別于傳統(tǒng)的通過提高微腔Q值來降低閾值的方法，大大降低了對器件加工的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是基于現(xiàn)有的硅基光子學理論和成熟的制備工藝基礎，針對上述問題和現(xiàn)有技術的不足，提出的一種在諧振腔內(nèi)集成光敏電阻用于反饋調(diào)節(jié)的硅基熱光雙穩(wěn)態(tài)結構，利用光敏電阻作為微腔加熱器，增強諧振熱光非線性效率，使其折射率調(diào)節(jié)幅度與光功率強度呈正相關，從而降低熱光雙穩(wěn)態(tài)的光功率閾值。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0010]一種利用光敏電阻反饋降低微腔熱光雙穩(wěn)態(tài)光功率閾值的結構，其特點在于，包括:
[0011]微型諧振腔，用于提供光學雙穩(wěn)態(tài)所需的光反饋回路；
[0012]光敏電阻嵌于所述的微型諧振腔內(nèi)，利用它在恒定電壓源或電流源下所產(chǎn)生的熱量對光功率的敏感性，來增強實現(xiàn)光學雙穩(wěn)態(tài)所需的硅波導熱光非線性效應。
[0013]所述的微型諧振腔為微環(huán)、微盤、光子晶體或法布里-珀羅諧振腔。
[0014]所述的微型諧振腔的核心材料為高折射的硅材料，上包層和下包層的材料為低折射率材料。
[0015]所述的高折射的硅材料為單晶硅、多晶硅或無定型硅，所述的低折射率材料為二氧化硅、氮化硅或聚合物。
[0016]所述的光敏電阻集成于微型諧振腔內(nèi)，由本征或輕摻雜硅材料構成，光敏電阻兩側(cè)為重摻雜區(qū)，和金屬形成歐姆接觸。
[0017]優(yōu)選的，具體包括由下至上的襯底、下包層、微環(huán)波導層、上包層和電極層，所述的微環(huán)波導層為脊型結構，其中脊型波導的內(nèi)脊寬度、內(nèi)脊高度和外脊高度滿足光單模傳輸條件，內(nèi)脊區(qū)即微環(huán)波導芯區(qū)為本征i區(qū)，其兩側(cè)的外脊區(qū)為重摻雜區(qū)，其中重摻雜類型是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏電阻結構。
[0018]優(yōu)選的，具體包括由下至上的襯底、下包層、微盤波導層、上包層和電極層，所述的微盤波導層為脊型結構，其中脊型波導的內(nèi)脊寬度、內(nèi)脊高度和外脊高度滿足光單模傳輸條件，微盤邊緣的內(nèi)脊區(qū)為本征i區(qū)，微盤中心的內(nèi)脊區(qū)及微盤以外的外脊區(qū)為重摻雜區(qū)，其中重摻雜類型可以是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏電阻結構；
[0019]優(yōu)選的，具體包括由下至上的襯底、下包層、波導層、上包層和電極層，所述的波導層為在直波導的輸入輸出端同時嵌有周期性光柵的脊型結構，以構成法布里-珀羅微型諧振腔，其中脊型波導的內(nèi)脊寬度、內(nèi)脊高度和外脊高度滿足光單模傳輸條件，在FP腔內(nèi)部，內(nèi)脊區(qū)也即直波導芯區(qū)為本征i區(qū)，其兩側(cè)外脊區(qū)為重摻雜區(qū)，其中重摻雜類型可以是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏電阻結構。
[0020]優(yōu)選的，具體包括由下至上的襯底、下包層、波導層、上包層和電極層，所述的波導層為帶有缺陷的二維周期性排布的微孔結構，微孔的周期常數(shù)和線缺陷區(qū)寬度滿足光單模傳輸條件，在線缺陷區(qū)的一側(cè)，存在的點缺陷區(qū)為本征i區(qū)，其兩側(cè)微孔結構的無缺陷區(qū)為重摻雜區(qū)，其中重摻雜類型可以是P型或者η型，形成p-1-p或n-1-n光敏電阻結構。
[0021]在電阻上加上一定強度的電壓，根據(jù)歐姆定律，當電流流經(jīng)電阻，波導層作為熱電阻產(chǎn)生熱量，波導芯區(qū)溫度升高，由于熱光效應，波導折射率隨之增大，微腔的諧振譜向長波長移動，當所加偏壓進一步加大，逐漸出現(xiàn)非對稱的諧振特性；另外，重摻雜區(qū)的電阻率遠低于波導區(qū)，所以熱量主要產(chǎn)生于波導區(qū)，這樣能直接作用于模場，進一步降低系統(tǒng)功耗。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0023]I)利用微腔內(nèi)集成的光敏電阻來增強熱光非線性效應，外接直流電源通電后，熱效應致使波導層芯區(qū)溫度升高。
[0024]2)與傳統(tǒng)微腔結構相比，在同等輸入光功率條件下，熱光效應被進一步放大，波導芯層的折射率調(diào)節(jié)幅度也隨之進一步增大。
[0025]3)相對于傳統(tǒng)只依賴提高微腔Q值來降低光功率閾值的方法，本發(fā)明通過電能轉(zhuǎn)換為熱能，增強微腔熱光非線性，來減少輸入光功率的閾值，降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)功耗，大大降低了對器件工藝加工的要求。
【附圖說明】
[0026]圖1為集成了光敏電阻的不同微腔結構示意圖，其中(a)為集成光敏電阻的微環(huán)結構示意圖，(b)為集成光敏電阻的微盤結構示意圖，(c)為集成光敏電阻的FP腔結構示意圖，(d)為集成光敏電阻的光子晶體微腔結構示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明其中一種用p-1-p型光敏電阻加熱的硅基微環(huán)折射率熱光調(diào)節(jié)結構示意圖
[0028]圖3為本發(fā)明特殊硅基微環(huán)波導折射率熱光調(diào)節(jié)結構電流與電壓關系圖
[0029]圖4為本發(fā)明特殊硅基微環(huán)波導折射率熱光調(diào)節(jié)結構加電穩(wěn)定后的溫度分布圖
[0030]圖5為本發(fā)明特殊硅基微環(huán)波導折射率熱光調(diào)節(jié)結構調(diào)節(jié)功耗與硅波導有效折射率關系圖
[0031]圖6為本發(fā)明特殊硅基微環(huán)波導折射率熱光調(diào)節(jié)結構實現(xiàn)的光學雙穩(wěn)態(tài)輸出與輸入光強間的磁滯回線圖
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