CN104460053A - 一种硅基垂直槽式纳米线光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，可用于光通信、集成光子学和硅基光子学等领域。在垂直槽式纳米线的基础上，通过在其缝隙区及上包层填充电光系数高、折射率低的聚合物材料，高折射率区为本征硅，两侧为铌酸锂并与电极直接接触，构建硅光调制器。通过该调制器的设计，可以实现缝隙区的光功率及射频电场最大，同时有效面积最小，获得最优的电光效应，使光场/射频电场的交迭积分因子最大、射频传输损耗低、光/射频模式的有效折射率匹配，以获得最佳的调制性能。

Description

一种硅基垂直槽式纳米线光调制器

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种硅基垂直槽式纳米线光调制器。

背景技术

光调制器是光网络、光互连中的关键部件，主要功能是将电信号转变成光信号在光纤链路或者集成光波导中传输。由于外调制方式具有高速及可消除内调制产生的啁啾现象等优点，使得高速、大容量光通信系统中均采用外调制技术。对于材料的选择，光调制器主要采用半导体、铁电体和聚合物等材料，其中半导体材料容易实现各类光子器件的单片集成，形成光子集成回路(PICs)，突破分立器件的局限，使得它的处理功能和工作速度大幅提高，功耗大大降低、尺寸大大缩小，因而极大地改善了芯片的成品率和可靠性，同时依托目前成熟的标准CMOS工艺，可实现器件的低成本和批量化生产。其中硅基材料—作为一类重要的半导体材料，已经被广泛用于各种电子器件的制造中，在光子器件方面它也是很好的选择。但是，硅没有线性电光效应，使得在研制光调制器方面面临诸多挑战。目前硅基光调制器主要采用一种间接的电光效应即自由载流子色散效应，相应的调制速度也已经达到40Gbit/s甚至更高。但是这与聚合物、Ⅲ-Ⅴ族半导体等其他材料的电光效应相比，显得较弱，导致驱动电压很高，特别是重掺杂硅有源层还带来非常高的传输损耗，在调制带宽到达数十GHz后，很难再进一步提高，所以需要找寻新的途径来研制光调制器。

槽波导作为一种新的波导结构，于2004年被美国康奈尔大学Michal Lipson教授课题组最早提出，随后受到许多研究人员的关注。其结构是由两个近靠的高折射率分布差硅基纳米线构成，中间形成纳米槽或者纳米缝，根据电磁场的边值关系，在垂直于高折射率差分布的材料分界面上，电场分量将出现不连续性，由于槽的宽度远小于槽两侧条形波导的特征衰减长度，使得电场在低折射率的槽中大大增强，相应的模场也将集中于微槽区域。对于垂直型的槽波导，根据其结构又可称之为垂直槽式纳米线，基于其独特的场增强效应，许多光子器件已被提出，例如：微环谐振腔、光开关、光发射器、定向耦合器、多模干涉器、生物/化学传感器等。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，通过垂直槽式纳米线和光电材料，解决了传输损耗高、制作工艺复杂的问题，克服了现有技术的不足。

技术方案：一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，包括硅衬底，其特征在于，包括掩埋氧化物层、信号电极、电极地、垂直槽式纳米线、光电材料和填料；

所述掩埋氧化物层覆盖在硅衬底上，一条信号电极位于掩埋氧化物层表面中央，两条电极地分别对称位于信号电极两侧，且与信号电极平行；每一条电极地和信号电极之间，分别包括一组光电材料和垂直槽式纳米线；该组光电材料由完全相同的两条光电材料组成，两条光电材料的相对面之间填塞有垂直槽式纳米线；该垂直槽式纳米线开口向上；所述两条光电材料一条与电极地接触，另一条与信号电极接触；

垂直槽式纳米线上方和垂直槽式纳米线之间的缝隙区域均填塞有填料。

进一步的，光电材料为铌酸锂材料。由于垂直槽式纳米线结构两侧的硅纳米线尺寸小，直接套制行波调制电极困难，电极间距短，带来严重的射频传输损耗。一般需要形成脊波导，在其两侧的平板波导上重掺杂，然后套制电极，同样带来严重的射频传输损耗，限制调制带宽。为此，采用具有较低的光折射率和高的射频介电常数的材料铌酸锂，将其填充在垂直槽式纳米线和电极之间，可显著的减小电极的制作难度，不需要在纳米线上制作电极，同时依靠铌酸锂优异的电光特性，降低传输损耗。

进一步的，光电材料的高度与垂直槽式纳米线高度相同。光子器件目前主要采用平面工艺制作，两者高度一样便于器件的实际制作，降低制作难度。

进一步的，填料为聚合物填料。采用聚合物材料填充其缝隙区和上包层，基于其独特的波导结构，使得光场在缝隙区内出现明显的增强，同时电场也主要落在该缝隙区域内(纳米尺度)，可有效降低极化聚合物所需要的电压，相应的器件功耗也可以降低。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、驱动电压低、功耗低。本发明采用垂直槽式纳米线结构，采用聚合物材料填充其缝隙区和上包层，基于其独特的波导结构，使得光场在缝隙区内出现明显的增强，同时电场也主要落在该缝隙区域内(纳米尺度)，可有效降低极化聚合物所需要的电压，相应的器件功耗也可以降低。

2、调制电极制作简单、传输损耗低。由于垂直槽式纳米线结构两侧的硅纳米线尺寸小，直接套制行波调制电极(如：共面金属波导)困难，电极间距短，带来严重的射频传输损耗。一般需要形成脊波导，在其两侧的平板波导上重掺杂，然后套制电极，同样带来严重的射频传输损耗(尤其在高速调制时)，限制调制带宽。为此，采用具有较低的光折射率和高的射频介电常数的材料--铌酸锂，将其填充在垂直槽式纳米线和电极之间，可显著的减小电极的制作难度，不需要在纳米线上制作电极，同时依靠铌酸锂优异的电光特性，降低传输损耗。

3、调制带宽高、速率高。本发明所阐述的结构，高折射率区为本征硅，电极间距大，射频传输损耗小，大大提高器件的调制带宽，可超过200GHz，同时采用共面波导结构的行波电极，实施推挽工作，通过优化设计，使得射频/光模式的有效折射率匹配，实现高速调制，可达40Gbit/s，且可进一步降低驱动电压。

4、结构紧凑、制作方便、成本低廉，易于集成。本发明器件是在高折射率差(绝缘体上硅材料)的平台上制作，使得器件的整体结构具有较高的紧凑性。同时该器件的制作流程与目前成熟的标准CMOS工艺完全兼容，可依托现有的CMOS工艺线进行加工，以简化器件的制作过程，提高成品率并可与采用相同工艺的其它器件进行集成，实现器件的低成本批量化生产。基于这些有益效果和优势，该器件在集成光子学特别是硅基光子学领域有着潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明的横截面结构示意图；

图2为本发明中垂直槽式纳米线结构横电模的主分量模场分布图；

图3为本发明中基于垂直槽式纳米线光调制结构设计的2×2Mach-Zehnder型硅光调制器结构示意图；

图中，硅衬底1、掩埋氧化物层2、信号电极3、电极地4、垂直槽式纳米线5、光电材料6、填料7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，包括硅衬底1，其特征在于，包括掩埋氧化物层2、信号电极3、电极地4、垂直槽式纳米线5、光电材料6和填料7；

所述掩埋氧化物层2覆盖在硅衬底1上，一条信号电极3位于掩埋氧化物层2表面中央，两条电极地4分别对称位于信号电极3两侧，且与信号电极3平行；每一条电极地4和信号电极3之间，分别包括一组光电材料6和垂直槽式纳米线5；该组光电材料6由完全相同的两条光电材料6组成，两条光电材料6的相对面之间填塞有垂直槽式纳米线5；该垂直槽式纳米线5开口向上；所述两条光电材料6一条与电极地4接触，另一条与信号电极3接触；

垂直槽式纳米线5上方和垂直槽式纳米线5之间的缝隙区域均填塞有填料7。

进一步的，光电材料6为铌酸锂材料。由于垂直槽式纳米线结构两侧的硅纳米线尺寸小，直接套制行波调制电极困难，电极间距短，带来严重的射频传输损耗。一般需要形成脊波导，在其两侧的平板波导上重掺杂，然后套制电极，同样带来严重的射频传输损耗，限制调制带宽。为此，采用具有较低的光折射率和高的射频介电常数的材料铌酸锂，将其填充在垂直槽式纳米线和电极之间，可显著的减小电极的制作难度，不需要在纳米线上制作电极，同时依靠铌酸锂优异的电光特性，降低传输损耗。

进一步的，光电材料6的高度与垂直槽式纳米线5高度相同。

进一步的，填料7为聚合物填料。采用聚合物材料填充其缝隙区和上包层，基于其独特的波导结构，使得光场在缝隙区内出现明显的增强，同时电场也主要落在该缝隙区域内纳米尺度，可有效降低极化聚合物所需要的电压，相应的器件功耗也可以降低。

上述调制器的结构特性及工作原理如下：基于垂直槽式纳米线在其缝隙区域内强的场增强效应，选用电光系数较大的聚合物材料进行填充，可明显降低驱动电压、提升调制带宽，同时考虑到槽式纳米线结构两侧的硅纳米线尺寸小，直接套制行波调制电极(共面金属波导)困难，电极间距短，带来严重的射频传输损耗。一般需要形成脊波导，在其两侧的平板波导上重掺杂，然后套制电极，但这同样会带来严重的射频传输损耗，限制调制带宽。为解决这个问题，可利用铌酸锂独特的材料特性：较低的光折射率而非常高的射频介电常数。在光频波段，聚合物折射率最低、铌酸锂次之、硅最高，形成槽式纳米光波导结构，使得横电模(TE模)的光场高度集中缝隙区；在射频波段，聚合物相对介电常数最低、硅次之、铌酸锂最高，调制电极形成槽式共面金属波导，调制电压主要落在缝隙区，射频电场同样高度集中在缝隙区。这样，射频电场与光模场交迭积分因子最大，充分利用聚合物超高的线性电光效应，大大降低器件的驱动电压；高折射率区为本征硅，电极间距大，射频传输损耗小，大大提高器件的调制带宽；通过优化设计，使得光、射频模式的有效折射率匹配，器件可实现高速工作；电流在直流偏置下，电场主要落在纳米尺度的缝隙区，可达50V/μm(直流偏置约为40V)，满足聚合物材料的极化条件，可直接极化聚合物材料，实现强电光效应，另外，制作流程完成兼容目前成熟的标准CMOS工艺。

上述结构的器件采用共面金属波导行波电极，中间为信号电极，两侧为地，当射频工作频率为f_m时，其频率响应m(f_m)为：

$m\left(f_m\right)=\exp [-{\mathrm{\α}}_m\left(f_m\right)\frac{L}{2}]\×{\left[\frac{\sin h^2\left({\mathrm{\α}}_m\frac{L}{2}\right)+{\sin }^2\left(k_m\mathrm{\δ}\frac{L}{2}\right)}{{\left({\mathrm{\α}}_m\frac{L}{2}\right)}^2+{\left(k_m\mathrm{\δ}\frac{L}{2}\right)}^2}\right]}^{1/2}---\left(1\right)$

式中：

α_m为射频损耗(衰减)系数(与f_m有关)；

L为电极长度(干涉臂有效长度)；

k_m＝2πn_m/λ_m为射频波波数；

δ＝1-n_o/n_m为射频模式(n_m)与光模式(n_o)折射率失配因子。

可见，射频损耗系数α_m及折射率失配因子δ越小，器件的调制带宽越大。直流偏置下，半波电压为：

$V_{\mathrm{\π}}^{\mathrm{DV}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_o}{2\mathrm{\ΓL}}---\left(2\right)$

式中：

λ_o为工作光波长；

Γ为射频电/光场模的交迭积分因子，其表达式为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{1}{V_0}\frac{\frac{1}{2}{n}_{\mathrm{eff}}^3{\mathrm{\γ}}_{33}(x,y)E_m(x,y){\left|E_o(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}{{\left|E_o(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}---\left(3\right)$

式中：

V₀为射频波在入射端口的电压；

n_eff为光波模式的有效折射率；

γ₃₃为聚合物材料的电光系数；

E_m与E_o分别射频与光电场分布。

可见，聚合物材料的电光系数越大，射频与光电场分布越交迭分布，则半波电压越小。缝隙区填充的聚合物其电光系数γ₃₃可高达100pm/V甚至更高，利用铌酸锂较低的光折射率而非常高的射频介电常数的特性，光场与射频电场集中分布在缝隙区，交迭积分因子大，有效减小半波电压，可达亚伏压量级；高折射率区为本征硅，电极间距大，射频传输损耗小，大大提高器件的调制带宽，可超过200GHz；采用共面波导结构的行波电极，实施推挽工作，且通过优化设计，射频/光模式的有效折射率匹配，实现高速调制，可达40Gbit/s，且可进一步降低半波电压。因此，通过优化设计，以硅基铌酸锂/聚合物垂直槽式纳米线为基础，可以实现超低电压、超高带宽、高速的硅光调制器。

图2为垂直槽式纳米线结构横电模的主分量模场分布图。聚合物填充槽式纳米线的上包层及中间的缝隙区，同时模场在该缝隙区域内出现了明显的增强，使得聚合物的极化电光系数高达100pm/V，比铌酸锂高一个数量级，比III-V族材料高两个数量级，适合用来制作低驱动电压、宽带高速硅基光调制器。

本发明公开了一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，旨在提供一种低驱动电压、高带宽、低成本、高速度、小型化、集成型硅基光调制设计，可用于光通信、集成光子学和硅基光子学等领域。在垂直槽式纳米线的基础上，通过在其缝隙区及上包层填充电光系数高、折射率低的聚合物材料，高折射率区为本征硅，两侧为铌酸锂并与电极直接接触，构建硅光调制器。通过该调制器的设计，可以实现缝隙区的光功率及射频电场最大，同时有效面积最小，获得最优的电光效应，使光场/射频电场的交迭积分因子最大、射频传输损耗低、光/射频模式的有效折射率匹配，以获得最佳的调制性能。

图3为基于垂直槽式纳米线光调制结构设计的2×2Mach-Zehnder型硅光调制器。前述的调制器在此主要作用于Mach-Zehnder结构的两个干涉臂，同时在构建整体器件时，除干涉臂外均采用常规的硅基纳米线，所以需要模式转换器，将常规波导的模式转换成垂直槽式纳米线所承载的模式。另外，输入端的合波器和输出端的分波器可以采用多模干涉耦合器结构。通过在Mach-Zehnder结构的干涉臂电极(信号电极、地电极)上施加调制信号，使得光模场发生变化，导致光信号在经过两干涉臂后，光程差改变，进而改变输出端口的光信号，实现对光信号的调制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，包括硅衬底(1)，其特征在于，包括掩埋氧化物层(2)、信号电极(3)、电极地(4)、垂直槽式纳米线(5)、光电材料(6)和填料(7)；

所述掩埋氧化物层(2)覆盖在硅衬底(1)上，一条信号电极(3)位于掩埋氧化物层(2)表面中央，两条电极地(4)分别对称位于信号电极(3)两侧，且与信号电极(3)平行；每一条电极地(4)和信号电极(3)之间，分别包括一组光电材料(6)和垂直槽式纳米线(5)；该组光电材料(6)由完全相同的两条光电材料(6)组成，两条光电材料(6)之间填塞有垂直槽式纳米线(5)，该垂直槽式纳米线(5)开口向上；所述两条光电材料(6)一条与电极地(4)接触，另一条与信号电极(3)接触；

垂直槽式纳米线(5)上方和垂直槽式纳米线(5)之间的缝隙区域均填塞有填料(7)。

2.如权利要求1所述一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，其特征在于，所述光电材料(6)为铌酸锂材料。

3.如权利要求1或2所述一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，其特征在于，所述光电材料(6)的高度与垂直槽式纳米线(5)高度相同。

4.如权利要求1-3任一所述一种硅基垂直槽式纳米线光调制器，其特征在于，所述填料(7)为聚合物填料。