CN111061069A - 基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，特点是由下到上包括依次相叠的硅衬底、二氧化硅层和硅薄膜基座，硅薄膜基座上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，硅薄膜基座包括两个对称设置的未掺杂硅薄膜区、位于两个未掺杂硅薄膜区之间的两个对称设置的重度掺杂硅薄膜区和位于两个重度掺杂硅薄膜区之间的轻度掺杂硅薄膜区，输入波导和输出波导位未掺杂硅薄膜区的顶面中央，混合波导位于轻度掺杂硅薄膜区的顶面中央，混合波导由沿水平方向设置的相变材料GST和对称设置在相变材料GST两侧面的硅波导构成，重度掺杂硅薄膜的顶面设置有金属触点，优点是结构紧凑、驱动电压小、消光比高且功耗低。

Description

基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器

技术领域

本发明涉及一种电光调制器，尤其是涉及一种基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器。

背景技术

随着人们对信息处理速度、数据传输速率和数据存储容量等要求的不断提高，信息网络以爆炸性的速度增长。为了满足大容量、超高速的信息互联互通需求，往往需要性能优越的电光信号处理器件。电光调制器作为光通信传输中实现信息在电信号与光信号之间转换的核心器件，其具有广阔的发展和应用前景，引起了科研人员的极大兴趣。

自从GST (Ge₂Sb₂Te₅)相变材料被发现以来，在电子、物理、材料等领域都得到了广泛的应用。特别是在光存储领域获得了非常成功的商业化应用。相变材料GST具有优良的光学特性和电学特性。在晶态和非晶态特性差异巨大、纳秒级的相态转变速度以及不需要额外能量供给即可保持相态稳定，这些优点使得相变材料GST成为新型电光调制器的理想候选材料。特别是其纳秒级的相态转变速度，提高了电光调制器的调制速度。相变材料GST在非晶态、晶态之间转换可以通过光脉冲或电脉冲激励实现。GST相态的变化引起混合波导的折射率和光吸收系数变化，进而导致输出光信号的变化，从而实现对光信号的调制。

以相变材料GST作为介质的电光调制器，具有传统电光调制器所不具备的很多优势。基于相变材料的新型电光调制器具有较高的折射率，因而器件小、结构更加紧凑，便于片上集成，在集成光路中应用前景广阔。相变材料GST在不同相态的转换速度快（纳秒级），使得新型电光调制器具有较高的调制速率。相变材料GST在晶态、非晶态下无需额外的能量供给，即可保证相态的稳定性；只在相态转变期间有能量消耗，所以新型电光调制器具有极低的能量损耗。此外，基于相变材料的新型电光调制器在工作波长范围内具有较高的调制深度和较低的插入损耗。基于相变材料GST新型电光调制器制作简单、兼容CMOS工艺，相变材料GST制备技术非常成熟，有利于实现产业化。综上所述，基于相变材料的电光调制器具有广阔的发展与应用前景。现有的基于相变材料的电光调制器具有插入损耗高、消光比低，发生相变时耗能多等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有结构紧凑、驱动电压小、消光比高且功耗低的基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，由下到上包括依次相叠的硅衬底、二氧化硅层和硅薄膜基座，所述的硅薄膜基座上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，所述的硅薄膜基座包括两个对称设置的未掺杂硅薄膜区、位于两个所述的未掺杂硅薄膜区之间的两个对称设置的重度掺杂硅薄膜区和位于两个所述的重度掺杂硅薄膜区之间的轻度掺杂硅薄膜区，所述的输入波导位于其中一个所述的未掺杂硅薄膜区的顶面中央，所述的输出波导位于另一个所述的未掺杂硅薄膜区的顶面中央，所述的混合波导位于所述的轻度掺杂硅薄膜区的顶面中央，所述的混合波导由沿水平方向设置的相变材料GST和对称设置在所述的相变材料GST两侧面的硅波导构成，所述的重度掺杂硅薄膜的顶面设置有金属触点。

所述的输入波导、所述的输出波导和所述的混合波导三者的宽度和高度均相同且所述的输入波导、所述的输出波导和所述的混合波导的上表面齐平；所述的输入波导和所述的输出波导等长，所述的相变材料GST的宽度占所述的混合波导总宽度的9/50。

所述的轻度掺杂硅薄膜区为n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸-1.5×10¹⁸cm^-3，所述的重度掺杂硅薄膜也为n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁹-1.5×10¹⁹cm^-3。这些元件（掺杂区、金属触点）的设计是为了便于加GST相变时所需的电压。金属区作为加电压时的金属触点，两边分别为终端和接地端。设计硅薄膜的目的是希望通过硅连接硅波导与金属触点，一方面能使金属触点远离硅波导以减小其影响，即减小损耗，另一方面是能把加在金属触电上的电压连接到硅波导上，从而引起硅波导内GST的相变。对硅薄膜掺杂的目的是增加硅中的自由电子数量，从而增加其导电性，能更高效的把电压加到GST上，减少能耗。纯净的硅更像是绝缘体，而不是导体，当它被施加外部作用时（比如外加电压），没有能力改变其导电状态。所以必须往硅里面掺杂其它的元素。

所述的硅衬底的厚度为250nm，所述的二氧化硅层的厚度为2-3um，所述的硅薄膜基座的厚度为50nm，所述的混合波导的长度为0.5 μm，总宽度为500 nm，厚度为200 nm，所述的相变材料GST的宽度为90 nm且厚度为200 nm。

基于相变材料的新型电光调制器工作原理：利用了相变材料GST在非晶态、晶态下具有差异较大的折射率和光吸收系数。当GST为非晶态时，其折射率和吸收系数较小。混合波导与光信号互相作用小，混合波导像介质波导，光信号损耗极低。其中，大部分的光信号分布在硅波导中，仅有些许光信号分布于GST层。因此，大部分的输入光信号可以平稳的通过混合波导到达输出波导。当GST从非晶态转换为晶态时，折射率和吸收系数急剧增大，光信号分布在GST层中增多，混合波导与光信号的互相作用大大加强，光信号损耗大幅度增加。所以输入波导中的光信号仅有少部分通过混合波导到达输出波导。因此，通过在混合波导两端的电极施加适当的电脉冲信号实现GST在晶态、非晶态之间转换，从而实现电信号到光信号的调制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提出的基于硅基相变材料的槽型混合波导，能大幅度增强相变材料与导模之间的相互作用，从而提高混合波导的有效折射率和传播损耗的变化，具有极高的调制深度。

2、基于相变材料的新型电光调制器，只在相变材料相态转换时消耗能量，能量消耗仅为pJ/bit量级，符合器件向低功耗发展的趋势。

3、基于相变材料的新型电光调制器的工作带宽大于100 nm，在1500 nm-1600 nm波长范围内的非晶态插入损耗小于0.2 dB/um，高的调制深度（约为40 dB/um），具有广阔应用前景。

4、与传统的电光调制器相比，基于相变材料的新型电光调制器具有较高的光传播损耗调节能力，极大地缩小了器件尺寸，便于片上集成。此外，基于相变材料的新型电光调制器的电极设置对于现实制作来说，便于制作。

综上所述，本发明基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，其是在两个硅波导之间竖着夹一层相变材料GST层，形成Si-GST-Si形式的槽波导，此外在波导横截面上还考虑了一定厚度的硅薄基座层和两个高度掺杂的区域及其顶部的金属接触区，这些元件是为了便于加入GST相变所需的电压，高度掺杂的基座区被认为离硅芯足够远以防止光学模式的扰动和额外损耗的增加。因此，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。

附图说明

图1为本发明电光调制器的整体结构示意图；

图2为本发明电光调制器的横截面图；

图3为GST处于非晶态时插入损耗与GST宽度w的函数关系（a线），对应右边纵坐标；消光比ER与GST宽度w的函数关系（b线），对应左边纵坐标；

图4为硅和相变材料GST复合波导内电场强度分布二维图，其中(a)为GST处于非晶态，有效模式折射率：2.6839-0.005303i；(b)为GST处于晶态，有效模式折射率：3.6411-1.1315i；其中表面：电场单位（V/M）。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一、具体实施例

一种基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，如图1和图2所示，由下到上包括依次相叠的硅衬底1、二氧化硅层2和硅薄膜基座3，硅薄膜基座3上沿水平方向设置有依次相接的输入波导4、混合波导6和输出波导5，硅薄膜基座3包括两个对称设置的未掺杂硅薄膜区31、位于两个未掺杂硅薄膜区31之间的两个对称设置的重度掺杂硅薄膜区32和位于两个重度掺杂硅薄膜区32之间的轻度掺杂硅薄膜区33，输入波导4位于其中一个未掺杂硅薄膜区31的顶面中央，输出波导5位于另一个未掺杂硅薄膜区31的顶面中央，混合波导6位于轻度掺杂硅薄膜区33的顶面中央，混合波导6由沿水平方向设置的相变材料GST61和对称设置在相变材料GST61两侧面的硅波导62构成，重度掺杂硅薄膜32的顶面设置有金属触点7。

在此具体实施例中，输入波导4、输出波导5和混合波导6三者的宽度和高度均相同且输入波导4、输出波导5和混合波导6的上表面齐平；输入波导4和输出波导5等长，相变材料GST61的宽度占混合波导6总宽度的9/50。轻度掺杂硅薄膜区33为n型掺杂，掺杂浓度在1×10¹⁸-1.5×10¹⁸cm^-3（这里指的是每立方厘米所含磷原子的个数）的，重度掺杂硅薄膜32也为n型掺杂，浓度在1×10¹⁹-1.5×10¹⁹cm^-3。

在此具体实施例中，硅衬底1的厚度为250nm，二氧化硅层2的厚度为2-3um，硅薄膜基座3的厚度为50nm，混合波导6的长度L= 0.5 μm，总宽度为500 nm，厚度h为200 nm，相变材料GST61的宽度为90 nm，厚度h为200 nm。

在此具体实施例中，如图1所示，掺杂硅薄膜区域（即硅薄膜基座3包括重度掺杂硅薄膜区32和轻度掺杂硅薄膜区33）的长度与混合波导6的长度一致均为L=0.5μm，重度掺杂硅薄膜区32为图中深色部分32，轻度掺杂硅薄膜区33为图中浅色部分33，金属触点7位于重度掺杂硅薄膜区32上方，重度掺杂硅薄膜区32到硅波导62的距离与金属触点7到硅波导62的距离相等，且被认为离硅波导62足够远以防止光学模式的扰动。

我们设计的目标是使该调制器的插入损耗更小，消光比和品质因数更高，所述电光调制器的插入损耗随调制器长度L的增加而增加，考虑到消光比，器件占地面积和插入损耗等方面的影响，选择L=0.5μm的调制器长度。经过comsol对其结构进行模式仿真后如图3所示，在混合波导6宽度W=500nm条件下，当相变材料GST61宽度为w=90nm时，能达到最大的消光比，约为40dB/μm，同时非晶态的插入损耗非常小，约为0.2dB/μm。

在外加电压作用下，相变材料GST61发生非晶体态到晶态的可逆相变，由于晶态折射率和非晶态相差很大，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4为GST从非晶态转换到晶态时的复合波导内TE模式在1550nm波长处的电场强度分布图。GST在从晶态到非晶态变时折射率可从7.45+1.49i变化到4.6+0.12i，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。

本调制器的主要参数分析：经过仿真计算，可以得到本电光调制器的各项参数，器件尺寸小、低功耗；调制带宽大于100nm；在1500nm-1600nm波长范围内有较低的插入损耗，较高的调制深度。

综上所述，因此当通过电极施加不同的电压信号激励相变材料GST61时，GST相态发生相应的转变，以致混合波导6的折射率和吸收系数也会随之发生改变，引起输出光信号的变化，最终实现光信号的调制。本发明的应用价值：该电光调制器具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较高的调制深度、较低的插入损耗等特点，非常适合应用于光子信息处理、可重构光子器件、光子神经网络等众多富有前景的研究领域。

二、对比试验

非晶相插入损耗IL_a， 晶相插入损耗IL_c。

消光比ER=IL_c- IL_a

调制器品质因数FOM=ER/IL_a

其中对比例为采用一种基于相变材料的电光调制器CN201711453218.2专利中的电光调制器所得结果。与之前相比，它的结构简单，对称性好，用于加电而导致相变的金属触点7位于混合波导6的两侧，便于制作；并且认为高度掺杂的基座区和金属触点7离硅波导62足够远以防止光学模式的扰动和额外的损耗的增加（之前的金属Cu位于GST上，会导致一定的损耗）。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，由下到上包括依次相叠的硅衬底、二氧化硅层和硅薄膜基座，其特征在于：所述的硅薄膜基座上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，所述的硅薄膜基座包括两个对称设置的未掺杂硅薄膜区、位于两个所述的未掺杂硅薄膜区之间的两个对称设置的重度掺杂硅薄膜区和位于两个所述的重度掺杂硅薄膜区之间的轻度掺杂硅薄膜区，所述的输入波导位于其中一个所述的未掺杂硅薄膜区的顶面中央，所述的输出波导位于另一个所述的未掺杂硅薄膜区的顶面中央，所述的混合波导位于所述的轻度掺杂硅薄膜区的顶面中央，所述的混合波导由沿水平方向设置的相变材料GST和对称设置在所述的相变材料GST两侧面的硅波导构成，所述的重度掺杂硅薄膜的顶面设置有金属触点。

2.根据权利要求1所述的基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，其特征在于：所述的输入波导、所述的输出波导和所述的混合波导三者的宽度和高度均相同且所述的输入波导、所述的输出波导和所述的混合波导的上表面齐平；所述的输入波导和所述的输出波导等长，所述的相变材料GST的宽度占所述的混合波导总宽度的9/50。

3.根据权利要求1所述的基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，其特征在于：所述的轻度掺杂硅薄膜区为n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸-1.5×10¹⁸cm^-3，所述的重度掺杂硅薄膜也为n型掺杂，浓度为1×10¹⁹-1.5×10¹⁹cm^-3。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器，其特征在于：所述的硅衬底的厚度为250nm，所述的二氧化硅层的厚度为2-3um，所述的硅薄膜基座的厚度为50nm，所述的混合波导的长度为0.5μm，总宽度为500nm，厚度为200nm，所述的相变材料GST的宽度为90nm且厚度为200 nm。

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