[发明专利]厚波导和薄波导之间的光电路中的光上升器

说明书

本发明涉及光子电路，尤其涉及光在耦合到光子器件的光波导之间被上升传输的光子电路。硅基板(34)上的第一波导(33a)设置有第一厚度和第一折射率。在第一波导上沉积锥形第二波导(32)，该第二波导具有小于第一厚度的第二厚度以及高于所述第一折射率的第二折射率。至少一个光学有源有源材料层(31)，该层包括光子器件并以与第二波导相邻的方式沉积在第一波导上。光子器件与锥形第二波导的宽端接合以提供光耦合，并且锥形波导的相对窄端接合在第一波导之上以在所述第一波导和第二波导直接提供绝热的光传输。

技术领域

本发明涉及光子电路及其制造，尤其涉及使光在耦合到光子器件的光波导之间传输的光子电路。

背景技术

光通信系统不断地被小型化，以将大量事先分开的光电器件与基于硅的集成电路集成在一起，从而实现用于高性能计算的片上光互连。特别地，硅光子学旨在基于CMOS兼容材料而集成尽可能多的光电功能，以便在不牺牲性能的情况下降低成本。

光调制器和光电探测器是光子系统的主要组成部分。这两种类型的器件基于非常不同的机制进行操作，且因此使用不同的器件几何形状。通常它们必须由与硅光子集成困难且昂贵的不同材料制成。光调制器基于诸如LiNbO₃、锗和化合物半导体异质结构等材料中的电光效应或电吸收效应。在硅光子学中，由载流子注入或耗尽引起的色散效应是用于在振幅和相位中都实现集成式光学调制的最常见方法。虽然通常这需要几毫米长的器件，但是基于SiGe化合物中的Franz-Keldysh效应，也可以使用微米级的器件来实现幅度调制。

在光链路的接收端，光电探测器通过吸收光子并通过光电效应产生电荷来将光转换回电信号。因此，对于有效的光探测而言，需要强力吸收并有效收集光激载流子。由于这些独特的需求，迄今为止，能够同时用作光电探测器和调制器并且可以通过外部控制来切换其作用的任何器件都未能由单一类型的材料制成。这种并不简单的多功能的器件，如果能实现的话，不仅可以使集成光学系统可编程和适应性强，还可以指引领诸如光电振荡器等的新颖应用以及光学计算和信号处理的新方案。

由于石墨烯的二维结构，石墨烯理想地适合与平面光子器件集成，并且器件的性能显著受益于共面配置中延长的光学互作用长度。凭借其出色的光学和电学特性(包括吸收和色散)，石墨烯已经被开发为多功能光电材料，以便例如通过静电门控(electrostaticgating)或化学掺杂来生产具有高性能和自适应可控性的高度可调光电器件。这种器件包括光电探测器、光调制器、偏振器和可饱和吸收器。已经证明，石墨烯光调制器具有非常高的速度(迄今为止仅受电极的RC常数限制)和非常低的能耗。

实际上，已经证明石墨烯可以在薄SOI波导上用作调制器，其理论调制速度为800GHz，这将远远超出例如数据中心光交换中使用的其他技术平台。要解决的问题是如何在厚SOI波导上构造和制备石墨烯调制器，以使石墨烯与光场相互作用。

与标准亚微米(220nm–400nm厚)硅波导技术相比，基于微米级(3μm厚)绝缘体上硅(SOI：silicon-on-insulator)波导的光子电路具有许多优势，但也存在一些主要限制。即，较大的波导尺寸意味着器件具有较大功耗，更重要的是，速度较慢。与用于需要高速调制和探测的多数应用的其他器件相比，这使得这种较厚的平台吸引力不大。

解决该问题的现有技术解决方案包括在整个电路中使用亚微米硅波导，其具有许多缺点，包括高传播损耗、单极化操作、对制造误差的不良容忍度，更不用提这需要非常昂贵的深UV制造工具。快速器件已经在厚SOI波导上得到证明，其中，通过以高纵横比来图案化亚微米宽波导进而减小器件的体积，这给制造带来了挑战，并且对良品率造成不良影响。只有几种类型的快速探测器和调制器可用这种方法来演示，而宽带调制器或相位调制器却不行。

本发明的目的是在微型波导和亚微米波导之间创建接口，以便利用两种技术的优点。亚微米波导的优点之一在于它们与石墨烯层的相互作用要好得多。其他重要的优点包括能够制造快速Ge探测器和SiGe Franz-Keldysh调制器。