CN111290192B - 基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关及使用方法 - Google Patents

基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关及使用方法，可以通过外加电压或泵浦光光照射的方式调节结构的透射光谱，从而调节不同波长的开/关比，因此可以根据实际情况进行相应的调节；该光开关制作工艺简单，且与现有CMOS工艺兼容，能够利用集成工艺规模化生产，降低了生产成本；该光开关具有纳米级的集成尺寸，方便技术人员进行集成化的应用；具有超快的响应时间的特点，工作在通信波长，具有广阔的应用前景；性能优越，具有大的开光深度和调制范围。

Description

基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关及使用方法
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关及使用方法。
背景技术
作为高速光网络以及集成光学器件必不可少的组成部分，光开关在光通信领域具有广泛的应用。光开关具有低功耗、高效率、超快的响应速度以及集成尺寸等出色性能，传统电子开关无法比拟。当前，光开光的设计方案包括光子晶体纳米腔、表面等离子激元、超材料以及微环谐振器等。然而，光开关在应用上受到的挑战主要来自组成自身的材料，包括材料的不可调谐，较窄的光谱应用范围，较低的响应速度，高传播损耗，无法与当前的CMOS工艺兼容等，限制了光开关的进一步发展。
近年来，介电常数近零材料独特的光学性能给新技术的发展带来新的机遇。在众多人造与天然的介电常数近零材料中，透明导电氧化物氧化铟锡脱颖而出。在外加电压的调制下，氧化铟锡的载流子浓度支持1019至1021cm-3的调制范围，提供了紫外到近红外范围的可调制光学效应。另外，具有近零介电常数的氧化铟锡还表现了巨大的非线性光学响应，其可在泵浦光的作用下实现飞秒量级的光学响应速度。此外，氧化铟锡还具有低成本、制作工艺简单、具有CMOS工艺兼容性等特点。
基于以上基础，在集成光学中引入具有近零介电常数的氧化铟锡成为近年来的研究热点。而目前对具有近零介电常数的氧化铟锡的研究主要集中在其电性能方面，基于非线性光学响应的全光响应器件较少涉及。在光开关方面也仅仅是集中单独对电调制或光调制的研究，限制了其实际的工作条件。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关及使用方法，可在外加电压和泵浦光照射两种条件下工作，具有制作工艺简单、低成本、可调谐、CMOS工艺兼容等特点。
一种光开关，包括多个十字形结构(1)、氧化铟锡纳米薄层(4)、二氧化铪层(5)和金属电极(6)；氧化铟锡纳米薄层(4)铺设在二氧化铪层(5)之上；多个十字形结构(1)以阵列排布在氧化铟锡纳米薄层(4)上；且任意相邻的十字形结构(1)之间距离相等；十字形结构(1)包括金层(2)和氧化铟锡层(3)；氧化铟锡层(3)紧贴氧化铟锡纳米薄层(4)，金层(2)紧贴在氧化铟锡层(3)之上。金属电极(6)设置在二氧化铪层(5)之下，金属电极(6)与氧化铟锡纳米薄层(4)之间加载栅极电压(7)。
较佳的，所述金层(2)的长度为450nm，宽度为50nm，厚度为100nm。
较佳的，所述氧化铟锡层(3)的长度为450nm，宽度为50nm，厚度为23nm。
较佳的，所述氧化铟锡纳米薄层(4)的厚度为4nm。
较佳的，所述二氧化铪层(5)的厚度为50nm。
较佳的，所述金属电极(6)的形状为方形框。
较佳的，所述金属电极(6)的材质为金。
一种光开关的使用方法，通过调节栅极电压(7)来调节透射光谱。
一种光开关的使用方法，采用泵浦光照射光开关，通过调节泵浦光的入射角度或能量强度来调节透射光谱。
一种光开关的使用方法，采用泵浦光照射光开关，并通过调节栅极电压(7)和泵浦光来调节透射光谱；其中，泵浦光调节包括入射角度或能量强度。
本发明具有如下有益效果：
本发明的基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关，可以通过外加电压或泵浦光照射的方式调节结构的透射光谱，从而调节不同波长的开/关比，因此可以根据实际情况进行相应的调节；该光开关制作工艺简单，且与现有CMOS工艺兼容，能够利用集成工艺规模化生产，降低了生产成本；该光开关具有纳米级的集成尺寸，方便技术人员进行集成化的应用；具有超快的响应时间的特点，工作在通信波长，具有广阔的应用前景；性能优越，具有大的开光深度和调制范围。
附图说明
图1(a)、(b)分别为本发明光开关的整体结构图和剖面图；图1(c)为十字形结构的俯视图；图1(d)为二氧化铪层5与金属电极的位置关系图；
图2为基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关的入射光波长-透射比曲线图；
图3为装置在电调控下的情况下，载流子浓度与装置消光比的演化图；
图4为装置在电调控的情况下，“开”与“关”状态的透射比示意图；
图5为装置在泵浦光照射的情况下，泵浦光入射角度-透射比曲线图；
图6为装置在泵浦光照射的情况下，泵浦光能量-透射比曲线图；
其中，1-十字形结构；2-金层，3-氧化铟锡层，4-氧化铟锡纳米薄层，5-二氧化铪层，6-金属电极，7-栅极电压。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1(a)所示，本发明的基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关，包括多个十字形结构1、氧化铟锡纳米薄层4、二氧化铪层5和金属电极6；氧化铟锡纳米薄层4铺设在二氧化铪层5之上；多个十字形结构1以阵列排布在氧化铟锡纳米薄层4上；且任意相邻的十字形结构1之间距离相等。如图1(b)所示，十字形结构1包括金层2和氧化铟锡层3；氧化铟锡层3紧贴氧化铟锡纳米薄层4，金层2紧贴在氧化铟锡层3之上。金属电极6设置在二氧化铪层5之下，金属电极6与氧化铟锡纳米薄层4之间加载栅极电压7。其中，本发明采用的氧化铟锡材料，其介电常数的实部约在1240nm时等于零；该材料可用Drude模型描述，其载流子浓度约为1.06×1021cm-3，高频介电常数为3.8055，阻尼率为1.39×1014rad/s。
本发明的光开关，当线偏振光垂直入射光开光表面，会激发起十字形金层2的等离子体共振模式，并且会导致近零介电常数的氧化铟锡层3产生近零介电常数模式；在二者强烈耦合的情况下，可在双控光开关的透射光谱观察到两个透射率凹陷，一个位于短波长处，称为短波长透过率凹陷；一个位于长波长处，称为长波长透过率凹陷。当通过金属电极6和氧化铟锡纳米薄层4对氧化铟锡进行外加电压调控时，会改变氧化铟锡纳米薄层4和十字形氧化铟锡层3的载流子浓度，导致其近零介电常数波长的移动，进而改变两个透射率凹陷的位置。
另外，由于近零介电常数氧化铟锡具有巨大的非线性光学相应，在泵浦光照射下，氧化铟锡的复介电常数会发生改变，其光学响应也会发生相应的变化，从而改变其透射光谱。因此，通过选定某一特定波长的入射光作为泵浦光，可以通过外加电极的电控或泵浦光照射的全光控制，来调节此波长的光透射率，从而实现开/关的功能。
此外，十字形结构1中的金层2和氧化铟锡层3的宽度和长度一致，厚度可以不一致；两者的具体尺寸可根据实际情况做出相关更改，其会使结构激发的不同强度的等离子共振，导致近零介电常数模式与等离子共振耦合强度的变化，从而获得更加接近实际使用环境的结果。
需要说明的是，本发明的光开关的另一个优势是，在结构制作成型即结构参数固定的情况下，可以不通过改变结构结合参数的方法，通过电控或光控的方法实现光开关的功能，也即是所谓的“可调”。
实施例1
本实施例提供了一种基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关，如图1所示，金层2的长度为450nm，宽度为50nm，厚度为100nm；氧化铟锡层3的长度为450nm，宽度为50nm，厚度为23nm；氧化铟锡纳米薄层4的厚度为4nm；二氧化铪层5的厚度为50nm；金属电极6的材质为金。本实施例中，如图1(d)所示，金属电极6形状为方形框，对应紧贴在二氧化铪层5的四个侧边的外侧，用于施加均匀的栅极电压7。
在线偏振光垂直入射的情况下，金层2激发的等离子共振模式与十字形氧化铟锡层3激发的近零介电常数模式强烈耦合，从而使透射比光谱发生图2所示的变化。可在透射比光谱观察到两个透射率凹陷，一个位于短波长处，称为短波长透过率凹陷；一个位于长波长处，称为长波长透过率凹陷。短波长透过率凹陷的位置与大小主要受十字形氧化铟锡层3激发的近零介电常数模式的控制，而长波长透过率凹陷的位置与大小主要受十字形金属金2激发的等离子共振模式的控制。进而可以通过栅极电压7调节多个十字形氧化铟锡层3和氧化铟锡纳米薄层4中氧化铟锡的载流子浓度，使短波长透过率凹陷和长波长透过率凹陷发生变化，以实现光开关的功能。
本实施例中，通过外加电压的方式调节氧化铟锡的载流子浓度。如图3所示，通过改变栅极电压7使氧化铟锡的载流子浓度发生改变，从而改变短波长透过率凹陷和长波长透过率凹陷的位置与消光比。当氧化铟锡的载流子浓度增大时，短波长透过率凹陷与长波长透过率凹陷的位置均发生红移，短波长透过率凹陷的消光比逐渐减小，而长波长透过率凹陷的消光比逐渐增大。特别地，可在1.375μm至1.545μm的波长范围内获得大于8dB的消光比。因此，技术人员根据实际应用需求选取不同的开光消光比和工作波长。
本实施列中，如图4中的(a)所示，选择可调双控光开关的工作波长1.51μm作为入射光，通过改变栅极电压7，使氧化铟锡的载流子浓度从1.06×1021cm-3变为1.10×1020cm-3，从而在“开(ON)”的状态实现0.77的透过率，在“关(OFF)”的状态实现0.09的透过率，开光深度达到17.85dB。在图4中的(b)，选择可调双控光开关1的工作波长为1.49μm，氧化铟锡的载流子浓度从9.65×1020cm-3变为1.88×1021cm-3，在“开(ON)”的状态实现0.71的透过率，在“关(OFF)”的状态实现0.02的透过率，开光深度达到15.33dB。而图4的(c)中，选择可调双控光开关1的工作波长为1.40μm，当氧化铟锡的载流子浓度从1.34×1021cm-3，变为6.40×1020cm-3，可以在“开(ON)”的状态得到0.74的透过率，在“关(OFF)”的状态得到0.0016的透过率，实现9.4dB的开关深度。技术人员也可依据实际选择不同的工作波长。
实施例2
本实施例提供了一种基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关在泵浦光照射下全光调制的方法。在线偏振光垂直入射的情况下，使用泵浦光以一定角度照射十字形氧化铟锡3和氧化铟锡纳米薄层4。此时，由于氧化铟锡巨大的光学非线性效应，导致透射比光谱发生变化，从而实现光开关的功能。如图5所示，在强度为5GW/cm2的泵浦光照射下，短波长透过率凹陷的位置发生蓝移，且其透射率会增大。逐渐增大泵浦光的角度时，短波长透过率凹陷的位置发生蓝移，透射率也会逐渐增大。因此，当选定某一工作波长，即可通过泵浦光的照射角度，实现光开关的功能。例如，选定工作波长为1240nm，则其在无泵浦光照射的条件下，透射率为0.56，此时为“关(OFF)”的状态；当泵浦光以60°照射时，透射率为0.80，此时为“开(ON)”的状态。此外，也可以通过固定泵浦光的照射角度，改变泵浦光的能量强度，实现光开关的功能。如图6所示，固定泵浦光的照射角度为30°，当泵浦光的能量强度逐渐增大时，短波长透过率凹陷的位置发生蓝移，透射率也会逐渐增大。当选定工作波长为1240nm，其在强度为20GW/cm2的泵浦光照射下时，“开(ON)”状态的透射率为0.73，从而与“关(OFF)”状态0.56的透射率形成光开关。
实施例3
本实施例提供了一种基于近零介电常数氧化铟锡的可调双控光开关1还可依据实际需要，在电控和泵浦光照射两种条件下同时工作。当在选定的工作波长，利用通过栅极电压7使氧化铟锡的载流子浓度发生改变，实现光开关的功能时，还可以继续对可调双控光开关1进行泵浦光照射，进而获得更大的开光深度，弥补在实际应用中的不足。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光开关，其特征在于，包括多个十字形结构(1)、氧化铟锡纳米薄层(4)、二氧化铪层(5)和金属电极(6)；氧化铟锡纳米薄层(4)铺设在二氧化铪层(5)之上；多个十字形结构(1)以阵列排布在氧化铟锡纳米薄层(4)上；且任意相邻的十字形结构(1)之间距离相等；十字形结构(1)包括金层(2)和氧化铟锡层(3)；氧化铟锡层(3)紧贴氧化铟锡纳米薄层(4)，金层(2)紧贴在氧化铟锡层(3)之上；金属电极(6)设置在二氧化铪层(5)之下，金属电极(6)与氧化铟锡纳米薄层(4)之间加载栅极电压(7)。
2.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述金层(2)的长度为450nm，宽度为50nm，厚度为100nm。
3.如权利要求2所述的光开关，其特征在于，所述氧化铟锡层(3)的长度为450nm，宽度为50nm，厚度为23nm。
4.如权利要求1、2或3所述的光开关，其特征在于，所述氧化铟锡纳米薄层(4)的厚度为4nm。
5.如权利要求1、2或3所述的光开关，其特征在于，所述二氧化铪层(5)的厚度为50nm。
6.如权利要求1、2或3所述的光开关，其特征在于，所述金属电极(6)的形状为方形框。
7.如权利要求1、2或3所述的光开关，其特征在于，所述金属电极(6)的材质为金。
8.一种权利要求1所述的光开关的使用方法，其特征在于，通过调节栅极电压(7)来调节透射光谱。
9.一种权利要求1所述的光开关的使用方法，其特征在于，采用泵浦光照射光开关，通过调节泵浦光的入射角度或能量强度来调节透射光谱。
10.一种权利要求1所述的光开关的使用方法，其特征在于，采用泵浦光照射光开关，并通过调节栅极电压(7)和泵浦光来调节透射光谱；其中，泵浦光调节包括入射角度或能量强度。
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