CN104062775B - 非挥发性的光学记忆单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非挥发性的光学记忆单元。遂穿层、电荷存储层、阻挡层和控制栅层依次生长于光波导上，还包括用于增大光波的传播常数调制范围的石墨烯层；石墨烯层放置于遂穿层和光波导之间；或放置于遂穿层和电荷存储层构成的电容之间或者电荷存储层和控制栅层构成的电容之间；或代替控制栅层；或代替电荷存储层。本发明适用于非挥发性光学器件，由于浮栅结构的非挥发性存储特性和石墨烯材料的超强电光效应，施加较小电压就可较大改变光学器件内传输模式的有效折射率，从而实现对光波的非挥发调控；用于集成光学，不需要长期对光学器件供电就可使其保持工作状态而减小功耗；可采用普通SOI硅片，具有良好CMOS工艺兼容性，实现大规模集成。

Description

非挥发性的光学记忆单元

技术领域

本发明涉及光学电子领域的一种光学单元，特别涉及一种非挥发性的光学记忆单元。

背景技术

随着信息的传输和处理速度越来越快、数据存储密度越来越大，普通的电子传输由于其固有特性带来的局限而使其在速度、容量、空间相容性上的发展受到了限制。而光子具有超快、相干性强、可载信息量大等独特的性质，在许多方面弥补了电子传输的不足，基于光波的光信息传输、光通信技术发展已经证明了光的优越性。低能耗的需求随着对更大数据吞吐量需求的增长而加剧。在光学信息传输过程中要持续加电压才可以维持光学传输状态，增加了光信息传输系统中的能量损耗问题。

在电学方面，非挥发性的存储单元已经得到广泛的应用，非挥发性存储单元器，在隔断电压后，内部在通电时维持的光学性质仍旧继续保存。

近年来，由于石墨烯具有良好的电学、光学特性得到业界越来越多的关注。由于石墨烯的电光特性，即在不同的外加电压下具有不同的光学电导率，对于光波导中传输的模式有不同的作用；而且，在外部施加较小的电压，就可以引起石墨烯材料较大的光学电导率变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非挥发性的光学记忆单元，即光学信号保持单元，借助浮栅结构的非挥发性存储特性和石墨烯材料的超强电光效应，可以实现对光波的非易失性调控。并在断电的情况下，还可以维持原来的光学性质，若将其应用于光学信息交换系统中，必将大大减小光信息传输过程中的能耗，符合绿色节能。

本发明采用的技术方案包括：遂穿层、电荷存储层、阻挡层和控制栅层依次生长于光波导上，还包括用于增大传输模式的有效折射率调制范围的石墨烯层。

所述的石墨烯层放置于遂穿层和光波导之间，作为导电沟道。

所述的石墨烯层放置于遂穿层和电荷存储层构成的电容之间或者电荷存储层和控制栅层构成的电容之间。

所述的石墨烯层代替控制栅层。

所述的石墨烯层代替电荷存储层。

所述的光学记忆单元应用于光开关、微环、Y分支器、Mach-Zehder干涉器或耦合器。

本发明具有的有益的效果和特点是：

本发明由于浮栅结构的非挥发存储特性和石墨烯材料的超强电光效应，从而可以实现对光波的非挥发调控。相较于一般的光学单元，本发明可对光波可实现非挥发性的调控。

可将本发明应用于集成光学中，由于该光学记忆单元具有非易失性的特点，所以可以不需要长期对其供电使其维持工作状态，这必定会大大减小功耗。而且，可以采用最普通的SOI硅波导，具有良好的CMOS工艺兼容性，可以实现大规模集成。

附图说明

图1是传统的基于MOSFET的非挥发性存储器结构的截面示意图。

图2是本发明应用的1×2非易失性干涉型光开关的实例图。

图3是实施例石墨烯层放置于光波导和电荷存储层之间的结构示意图。

图4是实施例石墨烯层放置于电荷存储层和控制栅层之间的结构示意图。

图5是实施例采用石墨烯层作为电荷存储层的结构示意图。

图6是实施例采用石墨烯层作为控制栅层的结构示意图。

图7是实施例采用石墨烯层作为类似MOSFET沟道的结构示意图。

图中：1、控制栅层，2、阻挡层，3、电荷存储层，4、遂穿层，5、光波导，6、背栅电极，7、源极，8、漏极，9、石墨烯层，10、导电沟道，11、衬底。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图3所示，本发明包括：遂穿层4、电荷存储层3、阻挡层2和控制栅层1依次生长于光波导5上，还包括用于增大光波的传播常数调制范围的石墨烯层9，用以增大光学调制效应。其中，石墨烯材料的相对介电常数与其光学电导率有关，而石墨烯层的光学电导率随外加电压的改变而变化，所以，在不同的外加电压下，其相对介电常数不同。

优选的石墨烯层9放置于遂穿层4和光波导5之间，作为导电沟道。在石墨烯层9的一侧加正电压，另一侧接地，在控制栅层1加一正向预偏置电压，沟道开启。然后在控制栅层1上再加一个瞬时脉冲，导电沟道内的电子由于该瞬时脉冲的作用，通过遂穿层4遂穿并存储于电荷存储层3，沟道内的电荷浓度发生变化，即石墨烯层9的光学电导率发生变化，改变了其相对介电常数，从而改变了光波导的有效折射率。

优选的石墨烯层9放置于遂穿层4和电荷存储层3构成的电容之间或者电荷存储层3和控制栅层1构成的电容之间。当石墨烯层9位于电荷存储层3和控制栅层1构成的电容之间，石墨烯层9可嵌入阻挡层2任意位置。当在控制栅层1加正向或反向电压时，电荷通过遂穿层4遂穿并存储于电荷存储层3中，使控制栅层1和电荷存储层3形成的电容，或电荷存储层3和光波导5形成的电容之间的电荷浓度发生改变，电容两侧的电势差发生变化，改变了放置于电容之间的石墨烯层9的相对介电常数，从而改变了光波导的有效折射率。

优选的石墨烯层9代替控制栅层1。当在控制栅层1加电压，电荷会通过遂穿层3遂穿并存储于电荷存储层3，改变了电荷存储层3的电荷浓度，即改变了由控制栅层1和电荷存储层3形成的电容内的电荷浓度，电容层两侧的电势差改变，使石墨烯层9的相对介电常数发生变化，从而改变了光波导的有效折射率。

优选的石墨烯层9代替电荷存储层3。当在控制栅层1加电压，电荷会通过遂穿层4遂穿并存储于电荷存储层3，改变了电荷存储层3的电荷浓度，即石墨烯层9的光学电导率发生变化，改变了石墨烯层9的相对介电常数，从而改变了光波导的有效折射率光波导的有效折射率。

本发明的光学记忆单元应用于所有挥发性的光学器件，例如光开关、耦合器、微环等光学器件，非挥发性即非易失性。

图1显示的是传统的基于MOSFET的电学非挥发性存储器结构，衬底11，背栅电极6；栅堆栈，包括：遂穿层4、电荷存储层3、阻挡层2和控制栅层1，依次生长于衬底11上，遂穿层4、阻挡层2均通过氧化物实现。传统非挥发性存储器还包括源极7、漏极8。

其工作原理为：背栅电极6接地，通过在源极7、漏极8、控制栅层1加电压，当外加栅压大于其阈值电压时，在衬底11表面形成导电沟道10，电子从沟道向电荷存储层注入，或加负栅压时，电子回落到衬底11，从而实现对器件的编程和擦除，即实现存储逻辑“1”和“0”，电荷存储层中存储的电荷由于周边绝缘层的保护不易丢失，即具有非挥发性。

本发明基于图1中的传统的非挥发性电学结构，将石墨烯材料引入该结构。当在本发明外加正向或反向电压，电子或空穴会从导电沟道10遂穿进入并存储于电荷存储层3中，而且断电后还能继续保持原来的状态。由于电荷存储层内电荷浓度的变化会影响光波导的有效折射率，将该非挥发性的光学记忆单元与光学器件相结合，可以实现对光波的非挥发性调控。

由于简单的遂穿并存储到电荷存储层的电荷改变量对光学器件的光学性质影响较小，所以本发明采用石墨烯的超强电光效应来增强电荷改变量对光波导的有效折射率的影响，采用上述的结构用以增强电荷存储层3中电荷的改变量对光学器件的光学性质影响。同时，由于控制栅层1一般为金属材料，形成M-O-S金属-氧化物-硅结构，即该光学器件可支持等离子波的传输，而等离子波相较于一般的光波对环境的变化更为敏感，所以可研究基于表面等离子波的非挥发光学器件的特性。

可以将本发明与Y分支器、Mach-Zehder干涉器、微环等光学器件相结合，实现对光波的非挥发性调控。例如，图2，将本发明置入Mach-Zehder干涉型光开关的一控制臂（图中虚线部分），入射光经过3dB耦合器后，均分为2束，经过控制臂调制后，不同的相位组合对应着不同的端口输出；如果不加电压，控制臂不工作，输入光波从输出A端口输出；如果在控制臂上加合适（一定幅度和脉宽）的脉冲电压，就可将光切换到输出B端口输出，实现光切换，而此时无需加持续的电压来维持该状态，因此可大大降低器件的功耗，实现该光器件的非挥发性调制。

本发明的实施例如下：

实施例1：

如图3所示，本发明包括控制栅层1、阻挡层2、电荷存储层3、遂穿层4、光波导5、背栅电极6、石墨烯层9；本发明基于石墨烯材料是电可调的，控制栅极层1、阻挡层2、电荷存储层3形成一个平板电容，由于形成的电容中电荷的存储量改变，石墨烯层的光学电导率会发生变化，使光波导的有效折射率发生改变，而且存储在电荷存储层中的电荷在断电的情况下，仍能保持电荷的存储状态，所以，如图3，将石墨烯层9放置于控制栅层1和电荷存储层3之间，可以实现非挥发性的光学器件的控制，从而可以优化非挥发性的光学器件的性能。

实施例2：

如图4所示，本发明包括控制栅层1、阻挡层2、电荷存储层3、遂穿层4、光波导5、背栅电极6、石墨烯层9；本发明基于石墨烯材料是电可调的，电荷存储层3、遂穿层4、光波导5形成一个平板电容，由于形成的电容中电荷的存储量改变，石墨烯层的光学电导率会发生变化，使光波导的有效折射率发生改变，而且存储在电荷存储层中的电荷在断电的情况下，仍能保持电荷的存储状态，所以，如图4，将石墨烯层9放置于电荷存储层3和光波导5之间，可以实现非挥发性的光学器件的控制，从而可以优化非挥发（易失）性的光学器件的性能。

实施例4：

如图5所示，本发明包括控制栅层1、电荷存储层3、遂穿层4、光波导5、背栅电极6、石墨烯层；将石墨烯层9作为电荷存储层，由于石墨烯具有较大的态密度，可增大电荷的存储量；而且采用石墨烯材料作为电荷存储层，其内的电荷浓度改变会使其光学电导率发生变化，使光波导的有效折射率发生改变，可以以实现光学器件非挥发（易失）性调制。

实施例5：

如图6所示，本发明包括阻挡层2、电荷存储层3、遂穿层4、光波导5、背栅电极6、石墨烯层9；本发明基于石墨烯材料是电可调的，控制栅层1、阻挡层2、电荷存储层3形成一个平板电容，由于形成的电容中电荷的存储量改变，石墨烯层的光学电导率会发生变化，使光波导的有效折射率发生改变，而且存储在电荷存储层中的电荷在断电的情况下，仍能保持电荷的存储状态；石墨烯有较好的导电特性，和较大的功函数，不仅可以实现电可调，还可以防止在擦除电荷时产生漏电流；石墨烯的质量较小，可以有效的减小控制栅层1对阻挡层2的机械应力，所以，如图6，将石墨烯层9代替控制栅层1，可以实现非挥发性的光学器件的控制，从而可以优化非挥发性的光学器件的性能。

实施例6：

如图7所示，本发明包括控制栅层1、阻挡层2、电荷存储层3、遂穿层4、光波导5、石墨烯层9；将石墨烯层9放置于光波导5之上，遂穿层4之下，其作用类似于图1中传统MOSFET的沟道10；在源极和漏极加电压，形成源漏电流，当控制栅层1加电压时，石墨烯层9中的电荷遂穿进入并存储于电荷存储层3中，实现电荷的非挥发性存储，而且石墨烯层9中电荷量的改变会引起其介电常数的改变，从而实现光学器件的非挥发性调制。

由仿真实验数据可得，将该非挥发性的光学信号保持单元置入Mach-Zehder干涉型光开关的一臂，当不加电压时，该调制臂的有效折射率为n_eff1，加电压后，该调制臂的有效折射率n_eff2，有效折射率的改变量Δn，即调制范围为10^-3到10^-2，所以要改变π相位差，调制臂长L仅需几十到几百微米；而且吸收系数Δα的改变量为10^-1dB/um。

所以，将该非挥发性光学记忆单元置入于光学器件，如Y分支器、Mach-Zehder干涉器、微环、耦合器等，可对光学性质实现非挥发性的调控。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种非挥发性的光学记忆单元，遂穿层（4）、电荷存储层（3）、阻挡层（2）和控制栅层（1）依次生长于光波导（5）上，其特征在于：还包括用于增大传输模式的有效折射率调制范围的石墨烯层（9）；

所述的石墨烯层（9）放置于遂穿层（4）和光波导（5）之间作为导电沟道；

或者放置于遂穿层（4）和电荷存储层（3）构成的电容之间或者电荷存储层（3）和控制栅层（1）构成的电容之间；

或者代替控制栅层（1）；

或者代替电荷存储层（3）。

2.根据权利要求1所述的一种非挥发性的光学记忆单元，其特征在于：所述的光学记忆单元应用于微环、Y分支器、Mach-Zehder干涉器或耦合器。