CN110716327A - 一种基于ito定向耦合器的硅电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器。硅电光调制器由总线波导和副线波导构成，本发明工作于偏压状态时，ITO载流子浓度增加，相应的副线波导中的模式有效折射率以及吸收系数发生改变，定向耦合器的耦合效率和衰减系数随之发生变化，总线波导与副线波导发生弱耦合甚至不耦合，光信号直接从硅波导中输入输出，此时输出端光强最大；工作于无偏压状态时，总线波导与副线波导发生强耦合，进入副线波导的光能量损耗殆尽，此时从硅波导输出端输出光强最低。本发明克服了ITO材料自身的高损耗技术问题，具有损耗低，尺寸小，功耗低等特点，满足了光通信、集成光学等领域的实际需求。

Description

一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器
技术领域
本发明属于平面光波导集成器件，具体涉及一种基于ITO(透明导电氧化物)定向耦合器的硅电光调制器。
背景技术
近年来，雷达与电子对抗、无线通信等信息系统正朝着宽带化、集成化和小型化的方向快速发展。这些信息系统对光链路都具有严格的要求，电光调制器是光链路中的核心器件，将电信号转换为光学信号来实现电光转换，需要具有高带宽、低半波电压、低插入损耗、小体积。常用的电光调制器结构如Mach-Zehnder干涉仪(MZI)和环形谐振器结构已经在各种硅光学调制器结构中进行了深入研究，通过改变MZI两干涉臂相位差或环形谐振器的谐振条件得到输出光功率的变化。它们有效地利用了等离子体色散效应，通过改变硅中载流子浓度达到改变硅材料折射率的目的。基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的硅电光调制器为了在低电压下工作，通常的器件尺寸大且能耗高，不适合高密度集成。基于微谐振器的硅调制器，例如微环或微盘调制器，通常器件尺寸较小且易于低电压工作，然而由于谐振器的高Q因数(10^4–10^5)，光子寿命长，器件的工作带宽通常较低。例如，Q因子高于10^4将限制工作带宽与20GHz以下。此外，过大的Q系数还需要具有精确加热器来锁定工作波长，这些都不利于通信应用。同时兼具有小尺寸，大工作带宽和低功耗的新型调制器值得被探究。
光电技术的进步离不开具有独特性能的材料。最近，在混合硅调制器中使用等离子体效应和ε-近零(ENZ)效应打破了电光调制器结构尺寸/工作带宽相互制衡。材料介电常数的实部接近零时产生ENZ效应，从低损耗电介质转变为有损金属。硅光调制器使用金属氧化物半导体(MOS)型混合等离子体波导，包括掺杂硅，氧化铟锡(ITO)，掺杂镓的氧化锌，铋铁氧体，二氧化钒或石墨烯等折射率可调等离子体材料。外加电压会改变等离子体材料中的载流子密度，从而引起介电常数变化。由于在等离子体材料和相邻电介质之间的界面处存在具有高吸收特性的表面等离子体模式，该器件具有较高的光损耗，不利于实际应用。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于ITO(透明导电氧化物)定向耦合器的硅电光调制器，采用在硅波导上沉积ITO、二氧化硅、金的等离子激元波导与总线波导耦合来实现调制，通过在定向耦合器上构建ITO/氧化物/Si-MOS电容器，充分利用ITO和Si对光学介电常数的实部和虚部调制，改变定向耦合器的耦合效率和衰减系数，从而获得了调制的光信号。另外，该器件还保留了通过减小栅极氧化层(第二二氧化硅层)厚度来减小驱动电压的可行性，本发明将副线波导作为辅助波导置于总线波导外，可以显著地降低传输损耗。实现小尺寸，大带宽，低损耗，低功耗的需求。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括总线波导和副线波导，总线波导和副线波导均布置于硅衬底以及第一二氧化硅上表面；总线波导主要由输入硅波导、耦合区硅波导和输出硅波导依次连接组成，输入硅波导和耦合区硅波导通过两个依次相连的第一弯曲硅波导和第二弯曲硅波导连接，耦合区硅波导和输出硅波导通过两个依次相连的第三弯曲硅波导和第四弯曲硅波导连接；耦合区硅波导两侧波导相对于耦合区硅波导对称布置；副线波导主要由第一搭载ITO矩形波导、第一搭载ITO渐变波导、第一搭载ITO弯曲波导、耦合区等离子激元波导、第二搭载ITO弯曲波导、第二搭载ITO渐变波导、第二搭载ITO矩形波导依次连接组成，耦合区等离子激元波导两侧波导相对于耦合区等离子激元波导对称布置。
耦合区等离子激元波导邻近于耦合区硅波导且与耦合区硅波导平行布置，耦合区硅波导与耦合区等离子激元波导相互耦合。
光信号从输入硅波导输入后依次经第一弯曲硅波导和第二弯曲硅波导至耦合区硅波导与耦合区等离子激元波导的耦合区，最后依次经第三弯曲硅波导和第四弯曲硅波导从输出硅波导输出。
第一弯曲硅波导和第二弯曲硅波导相连后呈S型，输入硅波导与耦合区硅波导平行布置，输入硅波导、第一弯曲硅波导、第二弯曲硅波导分别与输出硅波导、第四弯曲硅波导、第三弯曲硅波导结构相同且呈对称布置。
第一搭载ITO矩形波导、第一搭载ITO渐变波导、第一搭载ITO弯曲波导分别与第二搭载ITO矩形波导、第二搭载ITO渐变波导、第二搭载ITO弯曲波导呈对称布置。
第一搭载ITO矩形波导、第一搭载ITO渐变波导、第一搭载ITO弯曲波导结构相同，主要由硅材料层、ITO层、金属层由下至上依次连接组成；所述第二搭载ITO矩形波导、第二搭载ITO渐变波导、第二搭载ITO弯曲波导和耦合区等离子激元波导结构相同，主要由硅材料层、ITO层、第二二氧化硅层、金属层由下至上依次连接组成；所述总线波导主要由硅材料层组成。金属层通过溅射工艺形成于第二二氧化硅层和ITO层上，ITO层、第二二氧化硅层均通过沉积工艺形成。
所述ITO层、第二二氧化硅层和金属层高度、宽度、长度可变，硅材料层的宽度、长度可变。
所述金属层采用的材料为金。
所述总线波导和副线波导的上包层均为空气包层，下包层均为第一二氧化硅层；总线波导和副线波导均置于下包层上方。
当ITO层处于低载流子浓度状态下时，光信号在耦合区发生强耦合，光信号主要耦合到搭载ITO等离子激元波导中传播，光信号剩余部分经耦合区硅波导从输出硅波导输出；当ITO层处于高载流子浓度状态下，光信号在耦合区发生弱耦合或不发生耦合，光信号主要在总线波导中传播，光信号剩余部分耦合到搭载ITO等离子激元波导中传播通过搭载ITO等离子激元波导；从而使得从输出硅波导输出的光信号光场强度发生变化，实现对输入光信号的调制。
通过分别对耦合区等离子激元波导中第二二氧化硅层上下两侧的ITO层和金属层施加偏压，使得ITO层载流子浓度增大，ITO层处于高载流子浓度状态；反之不施加偏压，ITO层处于低载流子浓度状态。
ITO层载流子浓度变化改变了ITO层的介电常数，进而改变了副线波导的模式有效折射率和吸收系数，从而改变定向耦合器的耦合效率。
耦合器耦合效率通过ITO载流子浓度变化调节，从而改变输出端的光功率，实现对光信号的调制。
所述搭载ITO矩形波导尺寸大于搭载ITO弯曲波导尺寸，搭载ITO矩形波导与搭载ITO弯曲波导通过搭载ITO渐变波导实现尺寸变化的过渡，使得从搭载ITO弯曲波导与搭载ITO矩形波导之间经过的光折射率不发生突变，折射率为逐渐变化过程，从而避免了光在波导截面突变处发生反射。
副线波导通过两端的第一搭载ITO矩形波导和第二搭载ITO矩形波导施加电压。
第一搭载ITO矩形波导和第二搭载ITO矩形波导用于引出信号电极以及地电极。
所述总线波导为单模波导；耦合区等离子激元波导、第一搭载ITO弯曲波导、第二搭载ITO弯曲波导为单模波导，第一搭载ITO渐变波导、第一搭载ITO矩形波导、第二搭载ITO渐变波导、第二搭载ITO矩形波导为多模波导。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用定向耦合器结构作为电光调制器的基本结构单元，结构简洁紧凑、设计方便、稳定性高。利用波导定向耦合器，可以在短距离内完成光信号的耦合，从而有效减小电光调制器尺寸。
2)本发明使用的ITO这种介电常数可调的材料，其自由载流子密度相比硅基电调谐自由载流子密度高，变化量大，所需的驱动电压小。本发明使用的ITO当不加电压时，其折射率大，且吸收系数小(n1＝1.939348，k1＝0.030085)；当加电压可将其调节到介电常数近零区域，其折射率小，且吸收系数大(n2＝1.042，k2＝0.273)，在这两种状态下折射率差别较大，更易增大耦合处于两种状态时的光场差异，提高了调制深度。
3)本发明在总线波导的水平侧向方向放置副线波导，取代了直接在总线波导上沉积ITO、二氧化硅、金的方式，通过副线波导与总线硅波导耦合而不是利用ITO的吸收来调控光的输出，克服了因ITO自身高损耗引起的光传输功率损失的弊端，有利于降低电光调制器输出端口的插入损耗，提升了输出端口的消光比。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是耦合区(耦合区硅波导与耦合区等离子激元波导)的波导截面示意图。
图3是第一搭载ITO弯曲波导结构的截面示意图。
图4是第二搭载ITO弯曲波导结构的截面示意图。
图5是本发明实施例中有偏压和无偏压两个状态的传输光场示意图。
图6是本发明实施例中输出硅波导的输出端口光强随波长的变化示意图。
图中：Ⅰ、总线硅波导，Ⅱ、副线波导，1、输入硅波导，2、第一弯曲硅波导，3、第二弯曲硅波导，4、耦合区硅波导，5第三弯曲硅波导，6、第四弯曲硅波导，7、输出硅波导，8、第一搭载ITO弯曲波导，9、第一搭载ITO渐变波导，10、第一搭载ITO矩形波导，11、耦合区等离子激元波导，12、第二搭载ITO弯曲波导，13、第二搭载ITO渐变波导，14、第二搭载ITO矩形波导，15、金属层，16、第二二氧化硅层，17、ITO层，18、硅材料层，20、第一二氧化硅层，21、硅衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
选用基于硅绝缘体(Silicon on Insulator，SOI)材料的硅纳米线波导，其芯层为硅材料层18，厚度为340nm，折射率为3.48；下包层为厚度2μm的第一二氧化硅层20，折射率为1.444；上包层为空气，折射率为1。沉积在ITO层17上的第一二氧化硅层16的厚度为20nm，折射率为1.444；ITO层17的厚度为20nm，在两种状态下的折射率分别为n1＝1.939348，k1＝0.030085，n2＝1.042，k2＝0.273；金的厚度为80nm，参考Johnson and Christy1972(n＝0.52406，k＝10.742)；在此实施例中，波导中传输TM偏振的基模，工作波长在1500nm～1600nm。
如图1所示，本发明是由总线波导Ⅰ和副线波导Ⅱ组成的定向耦合器结构，且两波导间距为250nm，耦合长度为7um；总线波导Ⅰ的整段波导宽度一致，均为320nm；第一弯曲硅波导2、第二弯曲硅波导3、第三弯曲硅波导5、第四弯曲硅波导6均为圆弧结构，圆弧的半径为2.5um，圆弧张角为0.588rad；副线波导Ⅱ中耦合区等离子激元波导11的宽度为180nm，8、12，9、13，10、14是相互对称的结构。
如图2所示是耦合区的波导截面示意图，左侧为耦合区等离子激元波导11，右侧为耦合区硅波导4，耦合区等离子激元波导11中的硅材料层18、ITO层17、二氧化硅16、金属层15的宽度一致，宽度均为180nm。
如图3所示为副线波导Ⅱ中左侧设置的第一搭载ITO弯曲波导8截面示意图，第一搭载ITO弯曲波导8与第一搭载ITO渐变波导9、第一搭载ITO矩形波导10结构相同，主要由硅材料层18、ITO层17、金属层15由下至上依次连接组成，硅材料层18上方沉积了ITO层17，在ITO层17上方溅射金做电极。第一搭载ITO渐变波导9消除了光在波导截面突变处发生的反射；副线波导Ⅱ左侧设置了大尺寸的第一搭载ITO矩形波导10，用于引出信号电极或地电极。
如图4所示，为副线波导Ⅱ中右侧设置的第二搭载ITO弯曲波导12截面示意图，第二搭载ITO弯曲波导12结构与第二搭载ITO渐变波导13、第二搭载ITO矩形波导14结构相同，主要由硅材料层18、ITO层17、第二二氧化硅层16、金属层15由下至上依次连接组成，硅材料层18上方沉积了ITO17，在ITO层17上方沉积二氧化硅，在第二二氧化硅层16上溅射金做电极。副线波导Ⅱ中右侧设置了大尺寸的第二搭载ITO矩形波导14，用于引出信号电极或地电极。
如图5所示为本发明的定向耦合器在两种状态下的模场分布。本发明使用的ITO层17不加偏压时，其折射率大，且吸收系数小(n1＝1.939348，k1＝0.030085)；当加偏压时可将ITO层17调节到介电常数近零区域，其折射率小，且吸收系数大(n2＝1.042，k2＝0.273)；光信号从输入硅波导1输入后依次经第一弯曲硅波导2和第二弯曲硅波导3至耦合区硅波导4与耦合区等离子激元波导11的耦合区两条路径可传播；当ITO层17处于低载流子浓度状态下时，光信号在耦合区发生强耦合，光信号主要耦合到搭载ITO等离子激元波导Ⅱ中传播；当ITO层17处于高载流子浓度状态下，光信号在耦合区不发生或发生弱耦合，光信号主要在总线波导Ⅰ中传播；耦合器耦合状态通过ITO载流子浓度变化来调节，并改变输出端的光功率，实现对光信号的调制。
本发明工作于偏压状态时，ITO载流子浓度增加，ITO层17处于高载流子浓度状态，相应的副线波导Ⅱ中模式有效折射率以及吸收系数发生改变，定向耦合器的耦合效率和衰减系数随之发生变化，总线波导与副线波导Ⅱ发生弱耦合甚至不耦合，光信号直接从硅波导中输入输出，此时输出端光强最大；工作于无偏压状态时，ITO层17处于低载流子浓度状态，总线波导与副线波导Ⅱ发生强耦合，进入耦合区等离子激元波导11的光能量损耗殆尽，此时从输出硅波导7的输出端输出的光强最低。
如图6所示，通过3D-FDTD仿真定向耦合器在不加偏压和加偏压两种状态下的输出端的光强随波长的变化，具有很大的消光比，具有较低的插入损耗。
根据上述结构，计算该电路RC限制的最大调制带宽，ITO的电阻率为5×10-3Ω·cm，ITO层的高度为20nm，长度为7um，宽度为320nm时，其电阻为0.446Ω；二氧化硅的相对介电常数为3.97，第二二氧化硅层的高度为20nm，长度为7um，宽度为320nm，其电容为3.935fF；
Figure BDA0002241388590000061
最大的调制带宽为90.6THz。
由此可见，本发明设计的波导结构简洁紧凑，稳定性高，克服了相变材料自身的高损耗技术问题。

Claims (10)

1.一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，包括总线波导(Ⅰ)和副线波导(Ⅱ)，总线波导(Ⅰ)和副线波导(Ⅱ)均布置于硅衬底(21)以及第一二氧化硅(20)上表面；
总线波导(Ⅰ)主要由输入硅波导(1)、耦合区硅波导(4)和输出硅波导(7)依次连接组成，输入硅波导(1)和耦合区硅波导(4)通过两个依次相连的第一弯曲硅波导(2)和第二弯曲硅波导(3)连接，耦合区硅波导(4)和输出硅波导(7)通过两个依次相连的第三弯曲硅波导(5)和第四弯曲硅波导(6)连接；耦合区硅波导(4)两侧波导相对于耦合区硅波导(4)对称布置；副线波导(Ⅱ)主要由第一搭载ITO矩形波导(10)、第一搭载ITO渐变波导(9)、第一搭载ITO弯曲波导(8)、耦合区等离子激元波导(11)、第二搭载ITO弯曲波导(12)、第二搭载ITO渐变波导(13)、第二搭载ITO矩形波导(14)依次连接组成，耦合区等离子激元波导(11)两侧波导相对于耦合区等离子激元波导(11)对称布置；
耦合区等离子激元波导(11)邻近于耦合区硅波导(4)且与耦合区硅波导(4)平行布置，耦合区硅波导(4)与耦合区等离子激元波导(11)相互耦合；
光信号从输入硅波导(1)输入后依次经第一弯曲硅波导(2)和第二弯曲硅波导(3)至耦合区硅波导(4)与耦合区等离子激元波导(11)的耦合区，最后依次经第三弯曲硅波导(5)和第四弯曲硅波导(6)从输出硅波导(7)输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，第一弯曲硅波导(2)和第二弯曲硅波导(3)相连后呈S型，输入硅波导(1)与耦合区硅波导(4)平行布置，输入硅波导(1)、第一弯曲硅波导(2)、第二弯曲硅波导(3)分别与输出硅波导(7)、第四弯曲硅波导(6)、第三弯曲硅波导(5)结构相同且呈对称布置。
3.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，第一搭载ITO矩形波导(10)、第一搭载ITO渐变波导(9)、第一搭载ITO弯曲波导(8)分别与第二搭载ITO矩形波导(14)、第二搭载ITO渐变波导(13)、第二搭载ITO弯曲波导(12)呈对称布置。
4.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，第一搭载ITO矩形波导(10)、第一搭载ITO渐变波导(9)、第一搭载ITO弯曲波导(8)结构相同，主要由硅材料层(18)、ITO层(17)、金属层(15)由下至上依次连接组成；所述第二搭载ITO矩形波导(14)、第二搭载ITO渐变波导(13)、第二搭载ITO弯曲波导(12)和耦合区等离子激元波导(11)结构相同，主要由硅材料层(18)、ITO层(17)、第二二氧化硅层(16)、金属层(15)由下至上依次连接组成；所述总线波导(Ⅰ)主要由硅材料层(18)组成。
5.根据权利要求4所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，所述金属层(15)采用的材料为金。
6.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，所述总线波导(Ⅰ)和副线波导(Ⅱ)的上包层均为空气包层，下包层均为第一二氧化硅层(20)；总线波导(Ⅰ)和副线波导(Ⅱ)均置于下包层上方。
7.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，当ITO层(17)处于低载流子浓度状态下时，光信号在耦合区发生强耦合，光信号主要耦合到搭载ITO等离子激元波导(Ⅱ)中传播；当ITO层(17)处于高载流子浓度状态下，光信号在耦合区发生弱耦合或不发生耦合，光信号主要在总线波导(Ⅰ)中传播；从而使得从输出硅波导(7)输出的光信号光场强度发生变化，实现对输入光信号的调制。
8.根据权利要求7所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，通过分别对耦合区等离子激元波导(11)中第二二氧化硅层(16)上下两侧的ITO层(17)和金属层(15)施加偏压，使得ITO层(17)载流子浓度增大，ITO层(17)处于高载流子浓度状态；反之不施加偏压，ITO层(17)处于低载流子浓度状态；
ITO层(17)载流子浓度变化改变了ITO层(17)的介电常数，进而改变了副线波导(Ⅱ)的模式有效折射率和吸收系数，从而改变定向耦合器的耦合效率。
9.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，所述搭载ITO矩形波导尺寸大于搭载ITO弯曲波导尺寸，搭载ITO矩形波导与搭载ITO弯曲波导通过搭载ITO渐变波导实现尺寸变化的过渡，使得从搭载ITO弯曲波导与搭载ITO矩形波导之间经过的光折射率不发生突变，折射率为逐渐变化过程，从而避免了光在波导截面突变处发生反射。
10.根据权利要求1所述的一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器，其特征在于，副线波导(Ⅱ)通过两端的第一搭载ITO矩形波导(10)和第二搭载ITO矩形波导(14)施加电压。
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