一種soi基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種娃基光子學(xué)及忍片級光互聯(lián)技術(shù)，尤其設(shè)及一種新型SOI基結(jié)構(gòu) 的電光邏輯口。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益膨脹和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對于信息處理速度的要求也在不 斷增長。盡管全光信息處理系統(tǒng)的運(yùn)算速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子系統(tǒng)，但目前的數(shù)字通信系統(tǒng) 還沒有深入光學(xué)領(lǐng)域。但在現(xiàn)有基于電子技術(shù)的通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點要完成光一 電一光的轉(zhuǎn)換，其中的電子器件受限于器件工作上限速率40化/s，在適應(yīng)高速、大容量的需 求上，存在著諸如帶寬限制、時鐘偏移、嚴(yán)重串話、高功耗等缺點，由此產(chǎn)生了通信網(wǎng)中的 "電子瓶頸"現(xiàn)象，難W完成高速寬帶綜合業(yè)務(wù)的傳送和交換處理。由于現(xiàn)階段真正的全光 網(wǎng)絡(luò)尚無法實現(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換效率就成為了高速網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。隨著通信系統(tǒng)發(fā)展對于高速要 求的不斷提高，娃材料W其獨(dú)特的含量高、易集成、可與CMOS兼容的優(yōu)勢受到了強(qiáng)烈的關(guān) 注。光通信領(lǐng)域中可W利用娃材料的特點實現(xiàn)低損耗、高性能、高速的光連接用W克服微電 子忍片集成過程中越來越多的電學(xué)連接所帶來的限制:比如RC延遲，信號變形等問題。
[0003] 光子的傳播速度是3X IO8米/秒，是電子傳播速度的500倍，因而光子計算機(jī)具有 超高的運(yùn)算速度，使光子計算機(jī)的計算速度達(dá)1〇 2^秒，在技術(shù)上可實現(xiàn)1〇12~l〇is次/秒的 計算速度和lOOGb/s的傳輸能力。
[0004] 受光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求的推動，SOI材料近年來在光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展極為迅速。 基于SOI材料制作集成光波導(dǎo)器件具有基于其他傳統(tǒng)光學(xué)材料的光子器件所無法比擬的技 術(shù)優(yōu)勢，具體包括W下幾點：1、與標(biāo)準(zhǔn)娃基CMOS ( comp Iementary metal-oxide-semiconductor)工藝完全兼容 ，制備工藝成熟、方便而且價格低廉; 2、可 W在SOI上 同時制 作有源器件和無源器件，便于實現(xiàn)單片光電混合集成（OEIC) ;3、由于光波導(dǎo)忍層SiU = 3.45)和包層Si化(n=l.46)的折射率差很大，波導(dǎo)具有很強(qiáng)的光學(xué)限制作用，波導(dǎo)的尺寸 和彎曲半徑可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，而且能夠?qū)崿F(xiàn)=維的大規(guī)模集成;4、器件的損耗很小，模式特性和偏振特性很好，而且 傳輸帶寬很大;5、器件的導(dǎo)熱性能好，高頻特性明顯優(yōu)于Si02材料;6、用于全光互連的光子 回路的運(yùn)算速度將比目前的電子回路快約IO 4倍。
[0005] 娃作為光學(xué)材料，具有很強(qiáng)的載流子色散效應(yīng)，通過利用載流子色散效應(yīng)，改變折 射率分布和吸收系數(shù)，可W實現(xiàn)對光波的調(diào)制或切換，繼而實現(xiàn)作為光通信系統(tǒng)和光網(wǎng)絡(luò) 中關(guān)鍵器件的光調(diào)制器和光開關(guān)等，進(jìn)而實現(xiàn)邏輯口操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種新型SOI基結(jié)構(gòu)的電 光邏輯口，其具有禪合調(diào)制功能一體化、傳輸損耗低、響應(yīng)速率快、低壓等潛在的特性和優(yōu) 點，另外其制作工藝與COMS工藝兼容。
[0007] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯口，包括基于SOI材料制作的單模脊型波導(dǎo)，所述單模 脊型波導(dǎo)包括直波導(dǎo)和鉤型波導(dǎo)兩部分，所述鉤型波導(dǎo)包括端面對端面順次連接的第一禪 合區(qū)、第一半環(huán)波導(dǎo)、S-Bend、第二禪合區(qū)和第二半環(huán)波導(dǎo)，S-Bend為中屯、對稱結(jié)構(gòu)，第一禪 合區(qū)和第二禪合區(qū)在一條直線上，第一半環(huán)波導(dǎo)和第二半環(huán)波導(dǎo)均為1/2圓環(huán)，且第一半環(huán) 波導(dǎo)和第二半環(huán)波導(dǎo)的環(huán)口正對;鉤型波導(dǎo)位于直波導(dǎo)的一側(cè)，且鉤型波導(dǎo)的第一禪合區(qū) 和第二禪合區(qū)與直波導(dǎo)相平行；
[0009] 所述第一禪合區(qū)和第二禪合區(qū)的單模脊型波導(dǎo)中嵌入電學(xué)結(jié)構(gòu)，電學(xué)結(jié)構(gòu)為P-I-N結(jié)構(gòu)，在第一禪合區(qū)和第二禪合區(qū)上方各設(shè)置有一個共面波導(dǎo)電極，共面波導(dǎo)電極與電學(xué) 結(jié)構(gòu)形成電學(xué)接觸，通過共面波導(dǎo)電極向第一禪合區(qū)和第二禪合區(qū)加載模擬電信號；
[0010] 所述直波導(dǎo)的一端作為電光邏輯口與外接單模光纖的接口，用于引入輸入光波， 直波導(dǎo)的另一端作為電光邏輯口的第一輸出端，用于實現(xiàn)邏輯口功能；第二半環(huán)波導(dǎo)的末 端作為電光邏輯口的第二輸出端，用于實現(xiàn)禪合信號的單獨(dú)輸出。
[0011] 優(yōu)選的，所述第一半環(huán)波導(dǎo)的半徑小于第二半環(huán)波導(dǎo)的半徑，W便于通過輔助輸 出波導(dǎo)延伸第二輸出端。
[0012] 優(yōu)選的，根據(jù)第一禪合區(qū)和第二禪合區(qū)的長度，第一半環(huán)波導(dǎo)和第二半環(huán)波導(dǎo)的 半徑，在第一半環(huán)波導(dǎo)和S-Bend之間設(shè)置一段輔助直波導(dǎo)，輔助直波導(dǎo)的兩端通過端面對 端面方式分別與第一半環(huán)波導(dǎo)和S-Bend連接;通過輔助直波導(dǎo)能夠保證鉤型波導(dǎo)為規(guī)則的 幾何形狀，在保證結(jié)構(gòu)的美觀性同時，簡化結(jié)構(gòu)的整體分析。
[0013] 優(yōu)選的，所述第一禪合區(qū)的末端通過端面對端面的方式連接有一段彎曲波導(dǎo)，彎 曲波導(dǎo)的末端遠(yuǎn)離直波導(dǎo);彎曲波導(dǎo)的設(shè)計能夠防止第一禪合區(qū)的末端散出去的能量對直 波導(dǎo)產(chǎn)生影響。
[0014] 優(yōu)選的，所述第二半環(huán)波導(dǎo)的末端通過端面對端面的方式連接有一段輔助輸出波 導(dǎo)，通過輔助輸出波導(dǎo)延伸第二輸出端;輔助輸出波導(dǎo)的設(shè)計能夠使第一輸出端和第二輸 出端在同一平面上，方便外接信號；同時結(jié)合第一半環(huán)波導(dǎo)和第一半環(huán)波導(dǎo)的半徑設(shè)計，可 W讓輔助輸出波導(dǎo)遠(yuǎn)離鉤型波導(dǎo)，避免鉤型波導(dǎo)與輔助輸出波導(dǎo)之間的相互影響，同時也 避免彎曲波導(dǎo)末端散出去的能量對輔助輸出波導(dǎo)產(chǎn)生影響。
[0015] 本發(fā)明的最大特征在于采用了 A/D轉(zhuǎn)換的方式，將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號 輸出，具體實現(xiàn)過程為:兩個偶合區(qū)采用P-I-N結(jié)構(gòu)，利用SOI的載流子色散效應(yīng)，通過改變 加載在兩個偶合區(qū)的模擬電信號的強(qiáng)度，可W改變禪合區(qū)中載流子濃度，由于載流子的色 散效應(yīng)，引起禪合區(qū)折射率的變化（即引起禪合器的禪合效率的變化），輸入光波通過直波 導(dǎo)對應(yīng)位置時會產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化，當(dāng)達(dá)到相位匹配的情況時，光能就從直波導(dǎo)禪合到 禪合器，我們對第一輸出端輸出的光能進(jìn)行檢測，就能間接知道禪合效率的大小，將對光波 的相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成對光能的強(qiáng)度調(diào)制。本發(fā)明可W分別對兩個偶合區(qū)的模擬電信號進(jìn)行控 審IJ，能夠在第一輸出端實現(xiàn)邏輯口功能，還能夠在第二輸出端實現(xiàn)禪合信號的單獨(dú)輸出，通 過對模擬電信號的調(diào)制，可W控制第二輸出端輸出的能量大小。
[0016] 有益效果:本發(fā)明提供的SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯口，鉤型波導(dǎo)的設(shè)計有效減小了運(yùn) 個器件的面積;該器件在完成禪合的同時能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制，快速完成模擬電信號到數(shù)字 光信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)超快電光邏輯口操作，可W在高速通信網(wǎng)絡(luò)中獲得應(yīng)用。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的平面示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明中禪合區(qū)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為實施例要實現(xiàn)的或非邏輯n的示意圖；
[0020]圖4為實施例的邏輯功能仿真效果圖。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0022] 本發(fā)明是基于SOI材料設(shè)計的娃基電光邏輯口，為了達(dá)到最佳設(shè)計效果，對單模脊 型波導(dǎo)的尺寸要求也根據(jù)設(shè)計目的而有所不同；本案對單模脊型波導(dǎo)的尺寸設(shè)計如下:頂 層Si厚度為340nm，Si〇2厚度為2皿。
[0023] 如圖1所示，為一種SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯口，包括基于SOI材料制作的單模脊型波 導(dǎo)，所述單模脊型波導(dǎo)包括直波導(dǎo)1和鉤型波導(dǎo)兩部分，鉤型波導(dǎo)位于直波導(dǎo)1的一側(cè);所述 鉤型波導(dǎo)包括端面對端面順次連接的彎曲波導(dǎo)6、第一禪合區(qū)3-1、第一半環(huán)波導(dǎo)2-1、輔助 直波導(dǎo)5、S-Bend4、第二禪合區(qū)3-2、第二半環(huán)波導(dǎo)2-2和輔助輸出波導(dǎo)7。
[0024] 所述彎曲波導(dǎo)6的末端遠(yuǎn)離直波導(dǎo)1;第一禪合區(qū)3-1和第二禪合區(qū)3-2在一條直線 上，第一禪合區(qū)3-1和第二禪合區(qū)3-2與直波導(dǎo)1相平行;第一半環(huán)波導(dǎo)2-1和第二半環(huán)波導(dǎo) 2-2均為1/2圓環(huán)，第一半環(huán)波導(dǎo)2-1的半徑小于第二半