CN108107608B - 一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，包括基底层和设置于所述基底层上的硅波导层，所述硅波导层上表面设有多个介质层；从与所述硅波导层邻接的介质层起算，所有单数介质层上表面均设有透明导电氧化物层，所有双数介质层上表面均设有硅层；所述硅波导层和各所述硅层均设有第一电极，各所述透明导电氧化物层均设有第二电极。本发明采用多层MOS电容结构，实现偏振不敏感性。

Description

一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器
技术领域
本发明涉及光通信、光互联以及光器件集成领域，具体说，涉及一种基于透明导电氧化物(Transparent-Conducting-Oxide，TCO)的偏振不敏感的电光调制器。
背景技术
在未来的光互联和光通信的芯片中，高容量、尺寸紧凑、成本低的光电子集成电路(PIC)将成为人们的首选。目前有几种方法实现容量的增加，其中偏振复用因其可将通信容量翻倍成为一种有效的方案。然而大部分的电光调制器是偏振敏感的，目前实现偏振复用光通信系统一般需要将偏振分束器分为TE和TM模，而后利用偏振旋转器或波片将TE(TM)模转换为TM(TE)模，分别送入两个支持TE或TM模的电光调制器中进行调制，最后将两个偏振的调制信号进行合束。在该种方案中需要偏振旋转器，不但导致系统复杂，而且成本高，限制了偏振复用在高密度，高速率光互联中的应用。
透明导电氧化物具有光透明特性和良好的导电性，在集成光电子领域得到广泛应用，例如铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。例如ITO由于其较低的电阻率，与金属相比具有较小的损耗，相对介电常数近零(Epsilon-Near-Zero，ENZ)区域在通信波段成为制作电光调制器最有潜力的有源材料。TCO的光学特性受其载流子浓度的影响，利用TCO构成类似于金属-氧化物-半导体(Metal-oxide-semiconductor，MOS)电容型结构时，通过改变外加电压使载流子浓度发生变化，当相对介电常数调制到ENZ区域时，场被限制在损耗较大的TCO中从而实现调制。基于TCO的电光调制器往往具有尺寸小，调制深度大的特点。另外TCO与传统的CMOS制作工艺兼容，使其在光电子领域具有广阔的应用空间。
目前也有一系列的基于TCO的电光调制器的报道，但是由于边界条件的限制，这些调制器大部分是偏振敏感的，只能对特定方向偏振的光进行调制，这使得偏振复用系统中需要偏振旋转器。虽然也有一些可以实现TE模和TM模同时调制，但是两个偏振方向的调制深度不同，这对应用中偏振控制提出了较高的要求。
正如前所述的基于TCO的电光调制器所面临的偏振敏感问题，限制了该种调制器的应用场景，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，采用多层MOS电容结构，实现偏振不敏感性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，包括基底层和设置于所述基底层上的硅波导层，所述硅波导层上表面设有多个介质层；从与所述硅波导层邻接的介质层起算，所有单数介质层上表面均设有透明导电氧化物层，所有双数介质层上表面均设有硅层；所述硅波导层和各所述硅层均设有第一电极，各所述透明导电氧化物层均设有第二电极。
进一步地，所述硅波导层为脊型波导。
进一步地，所述介质层至少为两层。
进一步地，所述介质层由绝缘材料制成。
进一步地，所述绝缘材料包括氧化铪、氧化钛、氧化铝、硅氧化物、硅氮氧化物。
进一步地，所述透明导电氧化物层选用的材料包括铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。
进一步地，所述介质层厚度为5～100nm。
进一步地，所述第一电极为能与所述硅波导层和所述硅层形成欧姆接触的金属。
进一步地，所述第二电极为能与所述透明导电氧化物层形成欧姆接触的金属。
进一步地，所述金属包括铝材质。
本发明利用透明导电氧化物构成MOS电容结构，透明导电氧化物与介质表面的载流子浓度随着波导层与透明导电氧化物层间的偏置电压的变化而动态变化，从而导致透明导电氧化物的相对介电常数动态变化。当透明导电氧化物的相对介电常数变化到零附近时，由于边界条件的限制，将对垂直于透明导电氧化物和介质分界面的场有较强的作用，通过合理的设置结构参数可以实现TE模和TM模损耗的动态一致变化。多层MOS电容结构可以实现多层载流子的变化，从而有效加强光与透明导电氧化物的相互作用，提高消光比。由此可知，本发明通过电压控制载流子变化实现双偏振(TE与TM)动态一致的变化，从而实现电光调制器的偏振不敏感的电光调制功能。本电光调制器具有调制深度大，结构简单，尺寸小，CMOS兼容的优点。
附图说明
图1为一实施例公开的一种电光调制器横截面示意图。
图2为另一实施例公开的MOS电容为两层时的电光调制器横截面示意图。
图3为MOS电容为两层时在不同调制电压下的TE/TM模损耗及偏振相关损耗曲线图。
图4为MOS电容为两层时在不同调制电压下的TE/TM模有效折射率实部及其变化曲线图。
图中：1-基底层，2-硅波导层，31-第一电极，32-第二电极，4-透明导电氧化物层，5-第一介质层，6-第二介质层，7-第n介质层，8-硅层。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本实施例公开一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其结构如图1所示，包括基底层1，基底层上1设置有硅波导层2，硅波导层2为脊型波导，其上表面设有多个介质层，为方便表述，本实施例称之为n个介质层，由下至上依次覆盖第一介质层5、透明导电氧化物层4、第二介质层6、硅层8，由此交替至第n介质层7，显然在第n介质层7的上表面为最顶层，为透明导电氧化物层4或硅层8。介质层由绝缘材料制成，各层td1、td2、tdn等的厚度为5～100nm，与其他层构成MOS电容结构，层数n≥2，具体取值应根据实际需要而定。硅波导层脊型波导的平板厚度tslab、脊型区高度h及透明导电氧化物层厚度tTCO根据实际需要设定。
硅波导层2的平板区上表面设置有第一电极31，各硅层8也均设置有第一电极31，各透明导电氧化物层4均设置有第二电极32。第一电极31为能与硅波导层2和各硅层8形成欧姆接触的金属，第二电极33为能与各透明导电氧化物4形成欧姆接触的金属。
为更进一步说明本发明公开的电光调制器的结构，在此提供另一实施例，结构如图2所示，选用MOS电容为两层(即n＝2)的结构。基底层1为氧化硅，底部硅波导层2采用脊型波导，其平板厚度tslab为30nm，脊型区高度h为190nm，脊型区宽度w为270nm。硅波导层2的上表面由下至上依次覆盖的第一介质层5为氧化铪，厚度td1为5nm；透明导电氧化物层4为ITO，厚度tTCO为5nm；第二介质层6为氧化铪，厚度td2为5nm；第一电极31和第二电极32为铝材质，之间的电压差为V。
本发明的电光调制器的工作原理为：
透明导电氧化物与介质表面的载流子浓度随着波导层与透明导电氧化物层间的偏置电压的变化而动态变化，从而导致透明导电氧化物的相对介电常数动态变化。当透明导电氧化物的相对介电常数变化到零附近时，由于边界条件的限制，将对垂直于透明导电氧化物和介质分界面的场有较强的作用，通过合理的设置结构参数可以实现TE模和TM模损耗的动态一致变化。多层MOS电容结构可以实现多层载流子的变化，从而有效加强光与透明导电氧化物的相互作用，提高消光比。
图3表示为上述第二个实施例的硅波导层2与透明导电氧化物层4的电压差为V时，TE模和TM模损耗曲线和偏振相关损耗的曲线。由模式损耗曲线可以看出，TE模和TM损耗随调制电压的变化情况基本一致。为进一步研究TE模与TM模损耗之间的差异，图3中给出了偏振相关损耗(最大输出功率与最小输出功率的比值)的曲线图，可以看出，偏振相关损耗基本可以维持在较低水平。模式损耗曲线与偏振相关损耗曲线可以证明本发明的电光调制器可以实现TE模和TM模偏振不敏感的强度调制。
图4表示为TE模与TM模在不同调制电压下的有效折射率实部与有效折射率实部的变化曲线。有效折射率实部的变化为任意电压下的有效折射率与电压为0V时的差值，由图4可以看出TE模和TM模的有效折射率实部也可以实现动态一致的变化。
尽管上述公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明保护范围的前提下，可以进行多种改变和修改。所述实施例及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围。因此，本发明的保护范围应当由权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，包括基底层和设置于所述基底层上的硅波导层，所述硅波导层上表面设有多个介质层；从与所述硅波导层邻接的介质层起算，所有单数介质层上表面均设有透明导电氧化物层，所有双数介质层上表面均设有硅层；所述硅波导层和各所述硅层均设有第一电极，各所述透明导电氧化物层均设有第二电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述硅波导层为脊型波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述介质层至少为两层。
4.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述介质层厚度为5～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述介质层由绝缘材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述绝缘材料包括氧化铪、氧化钛、氧化铝、硅氧化物、硅氮氧化物。
7.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述透明导电氧化物层选用的材料包括铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锡铟氧化物。
8.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述第一电极为能与所述硅波导层和所述硅层形成欧姆接触的金属。
9.根据权利要求1所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述第二电极为能与所述透明导电氧化物层形成欧姆接触的金属。
10.根据权利要求8或9所述的一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器，其特征在于，所述金属包括铝材质。
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