CN111061115B - 基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法，基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器包括二氧化硅底层、第一硅波导层、第二硅波导层、第三硅波导层、第一电调控组件、第二电调控组件、第一电极层和第二电极层，第一二氧化硅层、第一ITO激活薄膜层、第一二氧化硅层和第一电极层依次位于第一硅波导层上，第二二氧化硅层、第二ITO激活薄膜层、第二二氧化硅层和第一电极层依次位于第二硅波导层上，第二二氧化硅层、第二ITO激活薄膜层、第二二氧化硅层和第二电极层依次位于第二硅波导层上。通过利用ITO激活材料薄膜的电调控特性实现了光路通断，从而实现了两位二进制数的加法功能，器件尺寸紧凑，可制造性强。

Description

基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法

技术领域

本发明涉及光电混合半加器技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法。

背景技术

随着海量数据的爆发性增长，如何满足高性能计算和海量数据处理需求是当前处理器面临的关键问题之一，传统的硅基电子技术由于高电磁干扰、高延迟和高能耗以及摩尔定律的技术瓶颈，严重制约着高性能计算的进一步提高。由于光信息处理具有高速、低电磁干扰、大容量及并行等优异性能，同时，硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相互兼容等特点。光逻辑器件作为运算单元的关键器件，其性能的好坏，直接影响着光信息处理能力，因此，光信息处理近年来吸引了大量国内外学者对其展开研究。但是现有的电光混合半加器的器件尺寸大，可制造性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法，利用ITO激活材料薄膜的电调控特性实现了光路通断，从而实现了两位二进制数的加法功能，器件能够在0和2.35V两者之间完成光信号逻辑控制，在1550nm波长时，插入损耗为1.33dB，消光比为25.8dB，数据传输速率为0.45Tbit/S，每bit消耗能量为5.7fJ，整个半加器尺寸小于5.8μm×1.4μm×1.0μm，器件尺寸小，保持性能优化的同时，可制造性能强。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器，包括二氧化硅底层、第一硅波导层、第二硅波导层、第三硅波导层、第一电调控组件、第二电调控组件、第一电极层和第二电极层，所述第一硅波导层、所述第二硅波导层和所述第三硅波导层均位于所述二氧化硅底层上，所述第一电调控组件包括第一二氧化硅层和第一ITO激活薄膜层，所述第一二氧化硅层的数量为两个，两个所述第一二氧化硅层位于所述第一硅波导层上，且相对设置，所述一ITO激活薄膜层位于两个所述第一二氧化硅层之间，所述第二电调控组件包括第二二氧化硅层和第二ITO激活薄膜层，所述第二二氧化硅层的数量为两个，两个所述第二二氧化硅层位于所述第二硅波导层上，且相对设置，所述二ITO激活薄膜层位于两个所述第二二氧化硅层之间，所述第二电调控组件的数量为两个，两个所述第二电调控组件间隔设置，所述第一电极层的数量为两个，一个所述第一电极层位于两个所述第一二氧化硅层远离所述第一硅波导层的一侧，另一个所述第一电极层位于两个所述第二二氧化硅层远离所述第二硅波导层的一侧，所述第二电极层位于两个所述第二二氧化硅层远离所述第二硅波导层的一侧。

其中，所述第一硅波导层、所述第二硅波导层、所述第三硅波导层、所述第一电极层和所述第二电极层均为正电极。

其中，所述第一ITO激活薄膜层和所述第二ITO激活薄膜层为负电极。

第二方面，本发明提供一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器的控制方法，包括：

检测到对第一硅波导层上的第一电极层施加的电信号，第一硅波导层的光信号接通进行传输；

检测到对第二硅波导层上的第一电极层和第二电极层施加的电信号，第一硅波导层的光信号接通进行传输或交叉传输至第三硅波导层；

检测到对两个第一电极层和第二电极层施加的逻辑控制电信号，将输出光信号定义为逻辑1，无光输出定义为逻辑0。

本发明的一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法，通过利用ITO激活材料薄膜的电调控特性实现了光路通断，从而实现了两位二进制数的加法功能，通过3D-FDTD模拟仿真，并对器件模型结构参数进行了优化设计。仿真实验结果表明，器件单元能够在0和2.35V两者之间完成光信号逻辑控制。半加器工作在1550nm波长时，插入损耗为1.33dB，消光比为25.8dB，数据传输速率为0.45Tbit/S，每bit消耗能量为5.7fJ，整个半加器尺寸小于5.8μm×1.4μm×1.0μm，为SPPs集成硅基波导的的光学逻辑器件和半加器在光信息处理提供了理论依据。器件尺寸紧凑，可制造性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器的结构示意图；

图2是本发明基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器的控制方法的流程示意图；

图中：100-基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器、1-第一硅波导层、2-第二硅波导层、3-第三硅波导层、4-第一电调控组件、5-第二电调控组件、6-第一电极层、7-第二电极层、8-二氧化硅底层、41-第一二氧化硅层、42-第一ITO激活薄膜层、51-第二二氧化硅层、52-第二ITO激活薄膜层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

第一方面，请参阅图1，本发明提供一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器100，包括二氧化硅底层8、第一硅波导层1、第二硅波导层2、第三硅波导层3、第一电调控组件4、第二电调控组件5、第一电极层6和第二电极层7，所述第一硅波导层1、所述第二硅波导层2和所述第三硅波导层3均位于所述二氧化硅底层8上，所述第一电调控组件4包括第一二氧化硅层41和第一ITO激活薄膜层42，所述第一二氧化硅层41的数量为两个，两个所述第一二氧化硅层41位于所述第一硅波导层1上，且相对设置，所述一ITO激活薄膜层位于两个所述第一二氧化硅层41之间，所述第二电调控组件5包括第二二氧化硅层51和第二ITO激活薄膜层52，所述第二二氧化硅层51的数量为两个，两个所述第二二氧化硅层51位于所述第二硅波导层2上，且相对设置，所述二ITO激活薄膜层位于两个所述第二二氧化硅层51之间，所述第二电调控组件5的数量为两个，两个所述第二电调控组件5间隔设置，所述第一电极层6的数量为两个，一个所述第一电极层6位于两个所述第一二氧化硅层41远离所述第一硅波导层1的一侧，另一个所述第一电极层6位于两个所述第二二氧化硅层51远离所述第二硅波导层2的一侧，所述第二电极层7位于两个所述第二二氧化硅层51远离所述第二硅波导层2的一侧。

所述第一硅波导层1、所述第二硅波导层2和所述第三硅波导层3为Si，所述二氧化硅底层8为SiO₂，所述第一硅波导层1、所述第二硅波导层2和所述第三硅波导层3刻蚀在所述二氧化硅底层8上，所述第一电极层6和所述第二电极层7为Au金属电极。光信号从所述第一硅波导层1的左端输入，在所述第一硅波导层1上设置有一个逻辑控制区域，即所述第一电极层6，在所述第一电极层6通过施加电信号完成第一硅波导层1中光信号通过或者阻断，而所述第二硅波导层2上设置有两个控制区域即所述第一电极层6和所述第二电极层7，这两个控制区域通过施加电信号完成所述第一硅波导层1中光信号继续传输或者交叉到所述第三硅波层上。将所述第一硅波导层1和所述第三硅波导层3的右端输出分别定义为半加器的carry和sum。当分别给逻辑控制区域施加逻辑控制电信号00、10、01、11时，将输出光信号定义为逻辑1，而无光输出定义为逻辑0，carry和sum根据输入的逻辑输出端依次输出相对应逻辑“加”光信号00、01、01、10。

所述第一硅波导层1、所述第二硅波导层2、所述第三硅波导层3、所述第一电极层6和所述第二电极层7均为正电极。所述第一ITO激活薄膜层42和所述第二ITO激活薄膜层52为负电极。从所述第一硅波导层1到所述第一电极层6、从所述第二硅波导层2到所述第一电极层6、从第二硅波导层2到所述第二电极层7可以看成为MOS结构器件。与金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)具有类似场效应，当外加电压作用时，TCOs材料层与介质层界面处可以迅速形成载流子积累区或者耗尽区，通过外加偏压可调控积累区或耗尽区载流子的浓度，进而实现TCOs介电常数(折射率)的改变。当TCOs材料层介电常数实部接近零时，定义其为介电常数近零态(Epsilon-Near-Zero,ENZ)。介电常数近零态能在很大程度上增强了电磁场与电光材料层的重叠积分，有效提高电磁吸收调制效率，因此大多数基于TCOs材料的调控器件通常采用Hybrid Photonic-Plasmonic结构来构建MOS电容器结构，并通过施加适当电压以获得TCOs材料介电常数近零态，从而实现电吸收调制。其介电常数符合Drude模型：

上式中ω_∞为高频介电常数(ω_∞＝3.9)，N_ITO是ITO材料的电子浓度，ω是角频率，γ是载流子散射率(γ＝1.8×10¹⁴rad/s)，m^*是载流子有效质量(m^*＝0.35m₀，m₀为电子质量，9.31×10^-31kg)，q是电子电荷(q＝1.6×10^-19C)，ε₀是自由空间介电常数(ε₀＝8.85×10^-12F/m)。

为了计算ITO载流子浓度受电压控制的变化，采用了如下简单的模型公式进行计算：

上式中，N₀＝1×10¹⁹cm^-3是ITO的载流子浓度。

为模型结构中绝缘层SiO2的厚度，而H_acc是SiO2在ITO表面下方积累的自由载流子的厚度。H_acc＝7nm，此厚度从下面的仿真研究中也可以得到。对此，采用lumerical公司的device软件对施加电压的ITO载流子浓度变化进行仿真求解，施加电压从0V至4V，步长为0.1V，当电压为2.35V时，ITO激活材料薄膜的载流子浓度为，相对应的折射为1.98，而当电压为0V时，ITO激活材料薄膜的载流子浓度为，相对应的折射为1.98。接下来在FDTD软件仿真时，ITO材料的折射率采用了上述的折射率进行仿真实验。

传输速率是衡量半加器性能的关键参数指标，本文设计的半加器的传输速率可以按照MOS结构结传输速率进行计算，用如下公式表示：

而电容器C由电容器定义公式表示：

上式中，ε₀＝8.85×10^-12F/m，d为SiO₂的厚度，S为电容结面积，即S＝L_modulate*W_ig，R为硅和ITO半导体等效电阻的串联，硅电极等效电阻假设为500Ω。另外，ITO激活材料薄膜的等效电阻可表示为：

上式中，L为ITO激活材料薄膜的一半，即

S为垂直于器件Z方向ITO激活材料薄膜横截面积S＝L_modulate*W_g，σ为ITO激活材料薄膜的电导率，即σ＝nqμ_n，式中n载流子浓度，本设计中假设n＝N₀,实际上，非本征半导体施加一定的电压后，载流子浓度将远大于初始浓度，因此，实际上激活材料薄膜的等效电阻比理论计算的要小。ITO激活材料薄膜的载流子迁移率μ_n＝20cm²/V·S。

传输1bit需要消耗的功耗可以按照电容充电能量大小(放电不需要消耗能量)来进行计算，可表示为：

计算可得电容容量

因此E＝5.7211×10^-15J，那么，传输1bit需要消耗的功耗为5.7211fJ。

消光比和插入损耗是衡量电光半加器性能的关键参数指标，根据消光比的定义，消光比ER可用如下公式表示

同时，根据插入损耗的定义，可用如下公式表示插入损耗

上式中，P_off为OFF状态时环形波导中的光信号强度，而P_on为ON状态时环形波导中的光信号强度，P_injection为注入调制端的光信号强度。

仿真实验：首先将电光半加器分离为单器件进行研究，分别为光信号直通逻辑控制单元和光信号交叉、直通逻辑控制单元。在仿真实验过程中，为了获得较高的仿真精度和可靠的仿真结果，将仿真mesh精度设置为5，光源采用TM模式波，波长为1550nm，将该光源从单器件单元硅波导一端输入，利用功率探测器测量在ON、OFF状态和交叉、直通状态时各自的电磁场分布情况。通过仿真实验结果发现，直通逻辑控制单元在ON状态时，光信号能够顺利传播整条硅波导，而在OFF状态时，光信号在通过硅波导时，光信号逐渐减弱，在x方向-2.7μm处，光信号几乎减弱至零。交叉、直通逻辑控制单元在交叉状态时，光信号在所述第一硅波导层1中传输至一半时，倏逝波通过所述第二硅波导层2耦合到了所述第三硅波导层3继续往前传播，实现了交叉逻辑功能，而在直通状态时，光信号只能在所述第一硅波导层1当中一直往前传播。半加器在逻辑控制区域不同的输入(00、10、01、11)，输出端口依次得到逻辑(00、10、10、01)，实现了如表1中二进制半加器的功能。在各个逻辑加的状态下，测得各个端口的输出功率如表2所示，并通过上述计算方法得到消光比ER＝25.8dB和插入损耗IL＝1.33dB，传输速率为0.45Tbit/S，每bit消耗能量为5.7fJ。

表1二级制半加器二级制加法逻辑表

表2半加器各个状态下参数测量表

本发明的一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器及其控制方法，通过利用ITO激活材料薄膜的电调控特性实现了光路通断，从而实现了两位二进制数的加法功能，通过3D-FDTD模拟仿真，并对器件模型结构参数进行了优化设计。仿真实验结果表明，器件单元能够在0和2.35V两者之间完成光信号逻辑控制。半加器工作在1550nm波长时，插入损耗为1.33dB，消光比为25.8dB，数据传输速率为0.45Tbit/S，每bit消耗能量为5.7fJ，整个半加器尺寸小于5.8μm×1.4μm×1.0μm，为SPPs集成硅基波导的的光学逻辑器件和半加器在光信息处理提供了理论依据。器件尺寸紧凑，可制造性强。

第二方面，请参阅图2，本发明提供一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器的控制方法，包括：

S101、检测到对第一硅波导层1上的第一电极层6施加的电信号，第一硅波导层1的光信号接通进行传输；

S102、检测到对第二硅波导层2上的第一电极层6和第二电极层7施加的电信号，第一硅波导层1的光信号接通进行传输或交叉传输至第三硅波导层3；

S103、检测到对两个第一电极层6和第二电极层7施加的逻辑控制电信号，将输出光信号定义为逻辑1，无光输出定义为逻辑0。

具体实施方式描述参见第一方面的所述基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器100的实施描述。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器，其特征在于，

包括二氧化硅底层、第一硅波导层、第二硅波导层、第三硅波导层、第一电调控组件、第二电调控组件、第一电极层和第二电极层，所述第一硅波导层、所述第二硅波导层和所述第三硅波导层均位于所述二氧化硅底层上，所述第一电调控组件包括第一二氧化硅层和第一ITO激活薄膜层，所述第一二氧化硅层的数量为两个，两个所述第一二氧化硅层位于所述第一硅波导层上，且相对设置，所述一ITO激活薄膜层位于两个所述第一二氧化硅层之间，所述第二电调控组件包括第二二氧化硅层和第二ITO激活薄膜层，所述第二二氧化硅层的数量为两个，两个所述第二二氧化硅层位于所述第二硅波导层上，且相对设置，所述二ITO激活薄膜层位于两个所述第二二氧化硅层之间，所述第二电调控组件的数量为两个，两个所述第二电调控组件间隔设置，所述第一电极层的数量为两个，一个所述第一电极层位于两个所述第一二氧化硅层远离所述第一硅波导层的一侧，另一个所述第一电极层位于两个所述第二二氧化硅层远离所述第二硅波导层的一侧，所述第二电极层位于两个所述第二二氧化硅层远离所述第二硅波导层的一侧。

2.如权利要求1所述的基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器，其特征在于，

所述第一硅波导层、所述第二硅波导层、所述第三硅波导层、所述第一电极层和所述第二电极层均为正电极。

3.如权利要求2所述的基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器，其特征在于，

所述第一ITO激活薄膜层和所述第二ITO激活薄膜层为负电极。

4.一种基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器的控制方法，用于控制如权利要求3所述的基于表面等离子硅基波导的电光混合半加器，其特征在于，包括：

检测到对第一硅波导层上的第一电极层施加的电信号，第一硅波导层的光信号接通进行传输；

检测到对第二硅波导层上的第一电极层和第二电极层施加的电信号，第一硅波导层的光信号接通进行传输或交叉传输至第三硅波导层；

检测到对两个第一电极层和第二电极层施加的逻辑控制电信号，将输出光信号定义为逻辑1，无光输出定义为逻辑0。

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