CN108803090B - 基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器，自下而上依次是硅衬底、二氧化硅下包层和电光调制器，所述的电光调制器采用三层堆栈式结构，下层为P型掺杂单晶硅层，上层为N型掺杂多晶硅层，中间层包括二氧化硅薄膜和二氧化钒薄膜，所述的N型掺杂多晶硅层和P型掺杂单晶硅层横向错开交叠，交叠部分为波导区域，横向延伸的两端为两铝电极的接触区域，所述的N型掺杂多晶硅层、二氧化钒薄膜、二氧化硅薄膜和P型掺杂单晶硅层重叠区域构成纵向狭缝波导。本发明电光调制器具有结构紧凑、驱动电压小、功耗低等优点，在集成光电子领域具有广泛的应用前景。

Description

基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器
技术领域
本发明涉及电光调制器，特别是一种基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器。
背景技术
通常情况下，硅基集成器件通过热光效应或者载流子色散效应改变硅材料的特性，从而实现折射率调节。但热光效应的响应速度比较慢，通常在微秒量级；载流子色散效应虽然响应时间快，但是其折射率的调节范围有限，通常折射率改变在10-3量级，因此为了达到π相位的变化，需要毫米量级的长度，导致高速调制器和光开关通常很长。虽然采用高Q值谐振腔结构可以减少器件尺寸，但其工作带宽通常很小，导致这些结构的器件对环境的变化非常敏感。因此需要寻找一种可以实现折射率大幅度高速调节的材料，与硅混合集成，以此来弥补硅材料的不足，从而进一步减小硅调制器的尺寸和功耗。
二氧化钒作为一种新兴的且具有良好的电磁学特性的材料，最近得到越来越多人的瞩目。二氧化钒具有绝缘体-金属相变的特性，即随着温度的升高和降低，在相变温度(约341K)附近发生由绝缘体态向金属态的可逆转变，同时二氧化钒材料的电阻率、折射率等一系列电学和光学性质发生急剧的变化。诱导二氧化钒进行介质态到金属态转换的条件也有很多，如对二氧化钒施加一定的应力、电流电压偏置、太赫兹电场作用、氢化作用或光照等条件，就可以激发二氧化钒进行相变。这种转变的速度也是非常快的，由介质态转变到金属态仅仅经历了几百飞秒。而且二氧化钒这种介质-金属状态之间的转换差恰好在1550nm波段附件达到一个非常大的值，特别适合光通信应用，所以二氧化钒作为新型材料在通信领域已经引起了越来越多关注。此专利就是通过把硅与二氧化钒有机结合起来，实现超小型电光调制器。
发明内容
本发明主要针对现有硅波导热光效应响应速度比较慢以及载流子色散效应折射率调节范围比较小的问题而提出的一种基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器。
为了解决上述的问题，本发明的解决方案如下：
一种基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器，特点在于其构成自下而上依次是硅衬底、二氧化硅下包层和电光调制器，所述的电光调制器采用三层堆栈式结构，下层为P型掺杂单晶硅层，上层为N型掺杂多晶硅层，中间层包括二氧化硅薄膜和二氧化钒薄膜，所述的N型掺杂多晶硅层和P型掺杂单晶硅层横向错开交叠，交叠部分为波导区域，横向延伸的两端为两铝电极的接触区域，所述的N型掺杂多晶硅层、二氧化钒薄膜、二氧化硅薄膜和P型掺杂单晶硅层重叠区域构成纵向狭缝波导。
所述的P型掺杂单晶硅层的掺杂浓度为1017-1018cm-3，所述的N型掺杂多晶硅层的掺杂浓度为1017-1018cm-3，为了使上、下硅层与金属形成欧姆接触，掺杂浓度随着离波导距离的增加而增加，在两侧欧姆接触区，N型和P型掺杂浓度均为1019cm-3以上。
靠近波导的上硅层延伸区域的左边、下硅层延伸区域的右边分别刻蚀出一排小孔形成光子晶体结构。
所述的N型掺杂多晶硅层和P型掺杂单晶硅层的厚度为100～400nm，所述的二氧化钒薄膜的厚度为10～100nm，中间二氧化硅薄膜的厚度为10～100nm，所述的N型掺杂多晶硅层和所述的P型掺杂单晶硅层交叠区域的宽度为300～600nm。
为了将复合波导与常规硅波导有效连接起来，我们采用一个锥形的模式连接器(与图1)。当入射的横向电场TE模式遇到上面的多晶硅层时，会发生旋转。在锥形区域，硅波导逐渐变宽，而多晶硅条也逐渐扩大，并且覆盖越来越多的硅波导区域。这样可以保证光模式的电场平滑地从横向变成垂直。由于复合波导区域存在多种材料界面，因此其电场在垂直方向上不连续，导致在中间二氧化硅和二氧化钒缝隙中的电场得到很大的增强，从而获得对复合波导有效折射率的高效率调节。
当二氧化钒发生绝缘体到金属相变时，其折射率的实部和虚部都会发生改变，因此光经过复合波导区域时除了相位变化外还会发生衰减。为了进一步提高复合波导有效折射率的变化，我们通过在波导边缘的硅层和多晶硅层中刻蚀通孔，将复合波导设计成光栅结构。通孔的位置和尺寸决定了光栅的耦合强度：通孔离波导越近，耦合强度越强，光栅的阻带就越宽。通过绝缘体-金属相变来移动阻带的中心波长，从而导致光传输效率发生很大的变化。利用光栅的这种谐振效应，可以缩短复合波导的长度，从而降低功耗。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用相变材料与硅波导结合组成复合波导，并利用二氧化钒在金属态和绝缘体态之间相互转换的能力，实现了对波导有效折射率的高效调节，从而可实现微米量级超小型电光调制器。特别是在上下硅层靠近波导中心区域刻蚀小孔形成光子晶体，可以进一步增强二氧化钒相变对光波的调制作用。
相比于热光效应调制器，本发明调制速率更快；而相比于载流子色散效应调制器，本发明结构集成度更高、功耗更小。在集成光电子领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器的平面俯视结构示意图。
图2为本发明基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器的调制区域的AA截面结构示意图。
图3为硅和二氧化钒复合波导内光波电场强度分布二维图，其中(a)为二氧化钒处于绝缘体态，(b)为二氧化钒处于金属态。
图4为硅和二氧化钒复合波导内光波电场强度沿波导纵向中线分布曲线图，其中(a)为二氧化钒处于绝缘体态，(b)为二氧化钒处于金属态。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1和图2为本发明基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器的平面俯视结构示意图和截面结构示意图。由图可见，本发明基于硅-和二氧化钒复合波导的电光调制器实施例，自下而上依次是硅衬底3、二氧化硅下包层2和电光调制器，所述的电光调制器采用三层堆栈式结构，下层为P型掺杂单晶硅层4，上层为N型掺杂多晶硅层5，中间层包括二氧化硅薄膜1和二氧化钒薄膜6，所述的N型掺杂多晶硅层5和P型掺杂单晶硅层4横向错开交叠，交叠部分为波导区域，横向延伸的两端为两铝电极7、8的接触区域，所述的N型掺杂多晶硅层5、二氧化钒薄膜6、二氧化硅薄膜1和P型掺杂单晶硅层4的重叠区域构成纵向狭缝波导，在靠近波导的N型掺杂多晶硅层5上硅层延伸区域的左边、P型掺杂单晶硅层4下硅层延伸区域的右边分别刻蚀出一排小孔(9、10)，形成光子晶体结构。
实施例中，二氧化硅下包层2厚度为2μm，P型掺杂单晶硅4和N型掺杂多晶硅5的厚度均为200nm，二氧化钒层6的厚度为80nm，二氧化钒层下二氧化硅薄膜层1的厚度为50nm。单晶硅和多晶硅中n型掺杂和p型掺杂区浓度为1×1018cm-3，n型和p型重掺杂区浓度为1×1020cm-3。
在外加电压作用下，二氧化钒发生绝缘体态到金属态的可逆相变，由于金属态折射率和绝缘体态相差很大，所以采用很短的波导，就能实现对输出光强度的高效调制。
图3和图4为二氧化钒从绝缘态转换到金属态时的复合波导内TM模式在1550nm波长处的电场强度分布图。二氧化钒在从绝缘体到金属相变时折射率可从3.24+0.35i变化到1.98+2.53i，变化量比硅的载流子色散效应高3～5个数量级。利用该材料高折射率变化特性，复合波导的有效折射率也能发生较大改变，仿真计算得到有效折射率实部变化为0.069，虚部变化为0.175。对于TM模式，光场和二氧化钒有很大的交叠，因此调制效率很高。波导损耗在二氧化钒相变前后从1.22dB/μm变化到了7.32dB/μm，因此，对于一个2μm长的调制器，即使没有使用光栅谐振增强，调制消光比也将达到12.2dB，而插损仅为1.4dB。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于硅和二氧化钒复合波导的电光调制器，特征在于其构成自下而上依次是硅衬底(3)、二氧化硅下包层(2)和电光调制器，所述的电光调制器采用三层堆栈式结构，下层为P型掺杂单晶硅层(4)，上层为N型掺杂多晶硅层(5)，中间层包括二氧化硅薄膜(1)和二氧化钒薄膜(6)，所述的N型掺杂多晶硅层(5)和P型掺杂单晶硅层(4)横向错开交叠，交叠部分为波导区域，横向延伸的两端为两铝电极(7、8)的接触区域，所述的N型掺杂多晶硅层(5)、二氧化钒薄膜(6)、二氧化硅薄膜(1)和P型掺杂单晶硅层(4)重叠区域构成纵向狭缝波导；靠近波导的上硅层延伸区域的左边、下硅层延伸区域的右边分别刻蚀出一排小孔(9、10)形成光子晶体结构；采用锥形模式连接器将复合波导与常规硅波导有效连接起来。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述的P型掺杂单晶硅层(4)的掺杂浓度为1017-1018cm-3，所述的N型掺杂多晶硅层(5)的掺杂浓度为1017-1018cm-3，为了使上、下硅层与金属形成欧姆接触，掺杂浓度随着离波导距离的增加而增加，在两侧欧姆接触区，N型和P型掺杂浓度均为1019cm-3以上。
3.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述的N型掺杂多晶硅层(5)和P型掺杂单晶硅层(4)的厚度为100～400nm，所述的二氧化钒薄膜(6)的厚度为10～100nm，中间二氧化硅薄膜(1)的厚度为10～100nm，所述的N型掺杂多晶硅层(5)和所述的P型掺杂单晶硅层(4)交叠区域的宽度为300～600nm。
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