CN109991765B - 一种基于导电金属氧化物的电光开关 - Google Patents

一种基于导电金属氧化物的电光开关 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种基于导电金属氧化物的电光开关，涉及光通信、热辐射主动调控技术领域。包括微谐振腔和衬底，微谐振腔包括由上至下依次层叠的前反射镜、前腔内电介质层、电极层、电介质隔离层、导电金属氧化物层、后腔内电介质层和后反射镜；其中，电极层和导电金属氧化物层的位置次序可以互换且均与外部电压连接。本发明引入基于导电金属氧化物的微谐振腔，由于该微谐振腔对入射光场具有超强的光局限能力，从而可大幅度提升本电光开关的品质因数，使该开关器件在工作状态的插入损耗远低于现有的基于导电金属氧化物的电光调制器件，且本发明可实现对透射光束或反射光束强度和相位的调控。

Description

一种基于导电金属氧化物的电光开关
技术领域
本发明可被应用于光通信、热辐射主动调控等领域，更具体的，涉及一种基于导电金属氧化物的电光开关。
背景技术
在光学领域，在微纳尺度对光信号进行强度、相位等实现快速、高效的调制对很多光学应用具有重大意义。导电金属氧化物是指一种在工作波段具有较高透过率、良好导电性的金属氧化物。常见的导电金属氧化物有氧化铟锡、氧化镉等。导电金属氧化物的光学性质可以通过外加电压的方式实现高速调制，它也因此被广泛应用于各种相位调制器件和强度调制器件中。2018年Ghazaleh Kafaie Shirmanesh等研究学者报道了一种基于氧化铟锡的电光相位调制器件，该电光相位调制器件主要由五个部分构成，自上而下依次为铝纳米天线、电介质隔离层、氧化铟锡层、电介质隔离层和铝后反射镜，其中铝纳米天线、氧化铟锡层和铝后反射镜层外接电压。由于铝纳米天线组成的超构表面(Metasurface)与氧化铟锡层的相互作用，此器件在特定波长处会具有强烈的吸收谐振，谐振位置附近相位变化剧烈。通过外加电压，可以改变氧化铟锡的光学性质，从而改变吸收谐振的对应波长，进而实现对反射光束强度和相位的调制。2018年Aleksei Anopchenko等研究学者报道了一种基于氧化铟锡的电光强度调制器件，该电光强度调制器件由四个部分组成，自上而下依次为棱镜、氧化铟锡层、电介质隔离层和金后反射镜，其中氧化铟锡层和金后反射镜外接电压。由于棱镜、金后反射镜和氧化铟锡层的相互作用，该结构可以在特定波长处激发完全吸收谐振。通过外加电压，可以改变氧化铟锡的光学性质，完全吸收谐振中心波长也随之移动，从而实现了对该器件反射光束强度的调制。
上述的这两种基于导电金属氧化物的电光器件，均利用改变谐振吸收波长的方式在亚波长尺度实现了对光束的相位或强度的大幅度的调制，但器件上侧结构(如上述的铝纳米天线和棱镜)均不能对器件内的光场实现很好的局限，器件中的光场很容易通过器件上侧结构与自由空间的光场耦合，在器件中引入较大的辐射损耗。高辐射损耗造成上述两种器件的品质因数低下，因此它们在工作状态下具有较大的插入损耗(所述插入损耗为光能量在通过插入器件后的出射光强与入射光强的比值)，这会限制它们的实际应用。此外，这两种电光器件的工作方式均为反射式，即对反射光束进行调制，而透射式的工作方式更加便利于实际应用。
发明内容
为解决背景技术中电光调制器件品质因数低、插入损耗大的问题，本发明提出了一种基于导电金属氧化物的电光开关，该电光开关通过外加电压对可见光或红外光波段的透射光束或反射光束强度和相位进行调制，且品质因数高、插入损耗小。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种基于导电金属氧化物的电光开关，其特征在于，包括微谐振腔和衬底，所述微谐振腔包括由上至下依次层叠的前反射镜、前腔内电介质层、电极层、电介质隔离层、导电金属氧化物层、后腔内电介质层和后反射镜；其中，所述电极层和导电金属氧化物层均与外部电压连接且位置次序和连接电压极性均可独立互换。
进一步地，所述微谐振腔在光波长600纳米至15微米范围内对p偏振入射光形成窄带的吸收谐振(吸收谐振波长略小于目标正入射谐振波长，该波段可行性由下面对透明金属氧化物的掺杂浓度的分析给出)。
进一步地，所述前反射镜和后反射镜分别采用正入射率大于80％的镜面组成，优选采用分布式布拉格反射镜、金属反射镜和声子激元反射镜中的任意一种反射镜或其中两者的组合，例如后反射镜可为分布式布拉格反射镜与金属反射镜(靠近衬底一侧)的组合。
进一步地，所述前腔内电介质层和后腔内电介质层分别采用透明电介质材料制成，所述前腔内电介质层和后腔内电介质层的光学厚度之和与所述微谐振腔内的光波在所述前反射镜和后反射镜上的相位变化配合，使得在目标正入射谐振波长处达到谐振条件。前腔内电介质层和后腔内电介质层优选采用折射率虚部绝对值在工作波长处小于0.1的电介质。
进一步地，所述导电金属氧化物层的厚度为10纳米至100纳米；所述导电金属氧化物层选用所述电光开关工作下载流子迁移率大于50平方厘米每伏特每秒的金属氧化物制成，该导电金属氧化物层的高吸收波长与所述微谐振腔的谐振波长接近，掺杂浓度为1×1017每立方厘米到1×1021每立方厘米，该掺杂浓度范围保证了导电金属氧化物层的高吸收波长可覆盖600纳米至15微米的波段范围，而微谐振腔的谐振波长条件随导电金属氧化物层的高吸收波长调整。优选采用氧化铟锡、氧化镉、铝掺杂氧化锌或镓掺杂氧化锌中的任意一种或多种。
与现有技术相比，本发明的特点及有益效果如下：
本发明提出了一种新型的电光开关器件结构，即引入基于导电金属氧化物的微谐振腔。由于微谐振腔对入射光场具有超强的光局限能力，从而可以大幅度提升器件的品质因数，使该开关器件在保证高开关对比度的同时，其工作状态的插入损耗远低于至今报道的基于导电金属氧化物的电光调制器件。具体来说，该装置通过结合导电金属氧化物和微谐振腔设计了一种具有高品质因数的复合腔。通过合理的设计，这种复合腔可在光波长600纳米至15微米范围内对p偏振入射光形成窄带的强吸收谐振。通过外加电压造成的场效应(Field effect)，导电金属氧化物的光学性质可被高速、大幅度调制，强吸收谐振的中心波长在光谱上发生移动，从而实现对透射光束或反射光束强度的调控。由谐振光谱中光振幅和相位的对应关系可知(谐振处输出光波相位在光谱上变化剧烈)，当吸收谐振波长被显著调制时，其透射或反射的光波相位也同时发生改变，从而本电光开关可实现对入射光的强度和相位的调控。同时，两种工作模式由于复合腔的高品质因数，均可以实现超大的开关状态对比度，且均在开启状态具有可观的能量输出效率。
附图说明
图1是本发明的基于导电金属氧化物的电光开关的结构示意图；
图2是实施实例一和实施实例二中电光开关的结构示意图；
图3是高掺杂导电金属氧化物层和低掺杂导电金属氧化物层中在外加电压下场效应的示意图；
图4是实施实例一中，在45°入射角下，信号光的反射率随电压的变化曲线；
图5是实施实例二中，在45°入射角下，信号光的透射率随电压的变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1显示了本发明实施例的一种基于导电金属氧化物的电光开关的示意图。该开关器件包括微谐振腔和衬底8，微谐振腔包括由上至下依次层叠的前反射镜1、前腔内电介质层2、电极层3、电介质隔离层4、导电金属氧化物层5、后腔内电介质层6和后反射镜7，其中，电极层3和导电金属氧化物层5的位置次序可以互换且均与外部电压连接，通过外部电压形成场效应，入射p偏振光束9由前反射镜1射入本电光开关。前反射镜1和后反射镜7可分别由各种高反射率(所述高反射率代表正入射反射率大于80％)的镜面组成，如分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg reflector)、金属反射镜(所选金属需在其厚度为100纳米时达到高反射率)、声子激元(Phonon polariton)反射镜等，同时多种反射镜的组合亦可作为替代选项，如后反射镜可为分布式布拉格反射镜与金属反射镜(靠近衬底一侧)的组合。前腔内电介质层2和后腔内电介质层6可灵活选取各种透明电介质材料，如氧化镁、蓝宝石等，两腔内电介质层的光学厚度(所述光学厚度为器件几何厚度与光学折射率的乘积)之和与腔内光波在前反射镜1和后反射镜7上的相位变化配合，在目标正入射谐振波长处达到谐振条件(谐振条件为光波在腔内传播一个周期后，相位变化为2π弧度角的整数倍)，而目标正入射谐振波长可根据应用波段灵活选取。电极层3的功能为透明电极，其可由石墨烯等二维导电材料或导电金属氧化物等透明电极材料构成。导电金属氧化物层5可由本电光开关工作下载流子迁移率大于50平方厘米每伏特每秒(一般在50～1000平方厘米每伏特每秒万)的金属氧化物制成，优选氧化铟锡、氧化镉、铝掺杂氧化锌或镓掺杂氧化锌中的任意一种或多种，其厚度10至100纳米，掺杂浓度在1×1017每立方厘米到1×1021每立方厘米之间选取，在施加外部电压时，导电金属氧化物层也具有电极的功能。前反射镜1的反射率、后反射镜7的反射率、导电金属氧化物层5的厚度和导电金属氧化物层5的掺杂浓度这四个参数相互配合，使得复合腔在目标波长处实现强吸收谐振，具体的计算方法为通过传输矩阵法或时域有限差分等电磁场算法朝向设计目标迭代优化(该计算方法为本领域的常规技术，不属于本发明的保护范畴)。电介质隔离层4可选取击穿电场大于50万伏特每厘米(一般在50万～500万伏特每厘米)的绝缘电介质材料制成，优选氧化铝、氧化铪或氧化硅中的任意一种或多种，其厚度3至20纳米。电极层3、电介质隔离层4和导电金属氧化物层5组成电容结构，在外加电场下，可以在电容结构中发生场效应，需要特别提到的是电极层3和透明金属氧化层5的位置可以互换，这对电光开关的正常运转没有影响。衬底8可选取常见的二氧化硅、硅等电介质材料，用于为微谐振腔提供物理支撑和电学隔离。
下面结合图1简述本发明的具体工作原理。前反射镜1、前腔内电介质层2、电极层3、电介质隔离层4、导电金属氧化物层5、后腔内电介质层6和后反射镜7组成复合腔，该复合腔辐射损耗小，品质因数高。入射p偏振光束9由前反射镜1照射本电光开关，当入射光波长满足复合腔谐振条件时，光能量可被有效地局限在腔内。导电金属氧化物层5在特定波长(介电常数实部接近零值附近)处可对光场具有高的吸收率，当其高吸收波长与复合腔谐振波长接近时，局限在腔内的光能量会大量被导电金属氧化物吸收，进而导致强吸收谐振。由于导电金属氧化物的光学性质受载流子浓度影响，而载流子浓度可以通过电压调谐，故外加电压可以改变强吸收谐振的波长位置，从而调谐前的强吸收谐振波长处具有很高的反射率和透过率，即低插入损耗。
为进一步说明该器件的工作原理，提供了两个具体的实施实例。实施实例一为反射式电光开关，实施实例二为透射式电光开关。
实施实例一中，如图2所示，前反射镜1和后反射镜7均选取分布式布拉格反射镜(分布式布拉格反射镜为两种不同光学折射率的子层组成的子层对周期性堆栈而成的介质反射镜；图2中，前反射镜1和后反射镜7中所示子层个数仅为示意，以实施例中文字部分描述为准)，选取硅和二氧化硅作为构成前反射镜1和后反射镜7中子层对的材料，每个子层的光学厚度均为1微米，前反射镜1中子层对的重复周期为3，后反射镜7中子层对的重复周期为12。选取氧化镁作为构成前腔内电介质层2和后腔内电介质层6的材料，每个氧化镁层的光学厚度为1微米。导电金属氧化物层5选取氧化镉作为构成材料，其掺杂浓度为6.59×1019每立方厘米，厚度为10纳米。电极层3也选取氧化镉作为组成材料，其掺杂浓度为2×1019每立方厘米，厚度为10纳米。选取氧化铪作为电介质隔离层4的材料，厚度定为5nm。如图3所示，当施加正向外界电压时(此时，电极层3接入外界电压负极，导电金属氧化物层5接入外界电压正极)，电极层3中的电子发生积聚效应，不过这对其在工作波段的光学性质影响微小，而导电金属氧化物层5中发生耗尽效应，外加电压对导电金属氧化物层5的电子浓度分布调制效果很显著，导电金属氧化物层5的光学性质也随着外加电压发生显著变化。由于复合腔的高品质因数，该开关器件的反射率对高掺杂导电金属氧化物的光学性质的变化十分敏感。如图4所示，在信号光以45度入射的情况下，当未施加外部电压时，信号光在波长等于3.605微米处的反射率接近零，当施加3伏特的电压时，信号光在此波长处的反射率被调制到91％。
实施实例二中，透射式电光开关的基本结构仍然如图2所示。前反射镜1和后反射镜7中各子层对的周期均为4，其他配置与实施实例一的反射式电光开关的配置均保持一致。如图5所示，在信号光以45度角入射下，当未施加外部电压时，信号光在波长等于3.620微米处的透过率为3％，当施加3伏特的电压时，信号光在此波长的透过率被调制到43％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于导电金属氧化物的电光开关，其特征在于，包括微谐振腔和衬底，所述微谐振腔包括由上至下依次层叠的前反射镜、前腔内电介质层、电极层、电介质隔离层、导电金属氧化物层、后腔内电介质层和后反射镜；其中，所述电极层和导电金属氧化物层均与外部电压连接且两者位置次序和连接电压极性均可独立互换；
所述前腔内电介质层和后腔内电介质层分别采用透明电介质材料制成，所述前腔内电介质层和后腔内电介质层的光学厚度之和与所述微谐振腔内的光波在所述前反射镜和后反射镜上的相位变化配合，使得在目标正入射谐振波长处达到谐振条件；
所述导电金属氧化物层的厚度为10纳米至100纳米。
2.根据权利要求1所述的电光开关，其特征在于，所述微谐振腔在光波长600纳米至15微米范围内对p偏振入射光形成窄带的吸收谐振。
3.根据权利要求1或2所述的电光开关，其特征在于，所述前反射镜和后反射镜分别采用正入射率大于80％的镜面组成。
4.根据权利要求3所述的电光开关，其特征在于，所述前反射镜和后反射镜分别采用分布式布拉格反射镜、金属反射镜和声子激元反射镜中的任意一种反射镜或其中两者的组合。
5.根据权利要求1所述的电光开关，其特征在于，所述前腔内电介质层和后腔内电介质层中的透明电介质材料的折射率虚部绝对值在工作波长处小于0.1。
6.根据权利要求1或2所述的电光开关，其特征在于，所述导电金属氧化物层选用所述电光开关工作下载流子迁移率大于50平方厘米每伏特每秒的金属氧化物制成，该导电金属氧化物层的高吸收波长与所述微谐振腔的谐振波长接近，掺杂浓度为1×1017每立方厘米到1×1021每立方厘米。
7.根据权利要求6所述的电光开关，其特征在于，所述导电金属氧化物层中的导电金属氧化物选用氧化铟锡、氧化镉、铝掺杂氧化锌或镓掺杂氧化锌中的任意一种或多种。
8.根据权利要求1或2所述的电光开关，其特征在于，所述电介质隔离层采用击穿电场大于50万伏特每厘米的绝缘电介质材料制成，厚度为3纳米至20纳米。
9.根据权利要求8所述的电光开关，其特征在于，所述电介质隔离层中绝缘电介质材料选用氧化铝、氧化铪或氧化硅中的任意一种或多种。
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