CN114624902A - 基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，将以过渡金属硫化物为代表的二维层状材料大面积定向转移至芯片集成光学调制器表面，通过光场辐射产生自由载流子并调节芯片集成波导折射率，实现对芯片集成波导内传输光场的相位调制。本发明所述光控调制方法避免了调制电压过高引起的芯片集成波导击穿，同时具备同电光调制方法相近的调制速度，高度兼容于现有绝缘体上硅无源光学器件制备工艺，有望推动芯片集成光学调制器标准化制备发展进程，为全光驱动芯片集成光路提供重要参考。

Description

基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法

技术领域

本发明属于集成光学、半导体物理与微波光子学的交叉学科领域，具体是指通过二维层状材料的光致自由载流子调节芯片集成波导折射率实现光场相位调制的方法，尤其涉及一种基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法、系统及存储介质。

背景技术

大规模芯片集成光路技术近年来发展迅速。较之以传统分立器件自由空间光路和全光纤光路，芯片集成光路具有体积小、功耗低、性能稳定等诸多优点，特别适合构建结构功能相对复杂的光学系统，如光通信系统、光计算系统、全光信号处理系统和微波光子系统等。

芯片集成光学系统性能高度取决于分立器件性能。随着硅基光电子制备工艺的不断发展，基于绝缘体上硅平台的各种无源光学器件，包括光学定向耦合器、光学分束器、偏振分束器、波分复用器等，已逐渐完成从结构设计、性能优化到标准化制备的发展历程。另一方面，芯片集成光学调制器作为一种重要的有源器件，在全光通信信号编解码系统、光学干涉仪、光学开关等系统中发挥重要作用，然而调制速率较低、制备工艺复杂的问题却始终没能有效解决：热光调制方法受耗散时间影响速率较低，能够缩短耗散时间的悬空结构机械强度较差；电光调制方法可通过控制自由载流子浓度实现快速调制，但需要单独的离子注入工艺(P-I-N结构)和电极生长工艺，且在较高调制电压下容易击穿。

发明内容

基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何通过标准工艺流程制备芯片集成光学调制器无源部分(即传输波导)，将以过渡金属硫化物为代表的二维层状材料无损定向转移至传输波导表面；用调制信号调制辐射光场并照射二维层状材料，此时二维层状材料通过光电效应产生自由载流子并引起传输波导折射率变化；波导内传输光场相位随折射率变化复刻调制信号完成光控调制。

为了达到上述效果，本发明提供的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，通过标准工艺流程制备芯片集成光学调制器无源部分，将以过渡金属硫化物为代表的二维层状材料无损定向转移至传输波导表面，实现二维层状材料和波导表面的有效贴合；用调制信号控制外接光源产生复刻调制信号的辐射光场，用辐射光场照射待调制区域的二维层状材料，通过光电效应产生自由载流子并引起传输波导折射率变化，此折射率变化将影响在波导内传输的光场相位，实现以辐射光场为驱动源的芯片集成光场调制。

优选的，上述方法具体包括：

步骤一、制备芯片集成光学调制器的无源部分；

步骤二、通过一系列工艺手段将二维层状材料无损定向转移至波导表面；

步骤三、影响传输光场相位分布并实现光控调制。

优选的，上述步骤一有效传输X波段传输光场的波导，波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且波导折射率灵敏变化，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度，波导空间排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖。

优选的，上述步骤二通过化学气相沉积法将二维层状材料无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。

优选的，上述步骤三将调制信号加载于辐射光源，通过Y波段辐射光场照射产生的自由载流子调制波导折射率，影响传输光场相位分布并实现光控调制。

优选的，上述方法通过覆盖芯片集成波导上表面的二维层状材料在辐射光场作用下产生的自由载流子、通过波导折射率变化影响波导内传输光场的相位分布、实现由光场控制的芯片集成光学调制。

优选的，上述调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料。

优选的，将调制信号加载在辐射光源可产生复刻调制信号的辐射光场，辐射广场照射在二硫化钼二维层状材料上可产生复刻调制信号的自由载流子，并进一步产生复刻调制信号的硅基波导折射率变化。

一种实现如上述基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法的系统，包括芯片集成光控调制器，所述调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料；通过化学气相沉积法将二维层状材料无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面；辐射光场照射在二维层状材料表面引起自由载流子浓度变化，二维层状材料覆盖的芯片集成波导折射率发生改变并影响传输光场相位分布。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明所述芯片集成光学调制器由辐射光场驱动，制备工艺简单(毋须生长电极)、调制速率较高(毋须热量耗散)且规避波导击穿风险，为高性能全光驱动芯片集成光路提供全新思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出了本发明基于二维层状材料的芯片集成光控调制器原理示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，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描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法的实施例，通过标准工艺流程制备芯片集成光学调制器无源部分，将以过渡金属硫化物为代表的二维层状材料无损定向转移至传输波导表面，实现二维层状材料和波导表面的有效贴合；用调制信号控制外接光源产生复刻调制信号的辐射光场，用辐射光场照射待调制区域的二维层状材料，通过光电效应产生自由载流子并引起传输波导折射率变化，此折射率变化将影响在波导内传输的光场相位，实现以辐射光场为驱动源的芯片集成光场调制。

在一些实施例中，方法具体包括：

步骤一、制备芯片集成光学调制器的无源部分；

步骤二、通过一系列工艺手段将二维层状材料无损定向转移至波导表面；

步骤三、影响传输光场相位分布并实现光控调制。

在一些实施例中，步骤一有效传输X波段传输光场的波导，波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且波导折射率灵敏变化，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度，波导空间排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖。

在一些实施例中，步骤二通过化学气相沉积法将二维层状材料无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。

在一些实施例中，步骤三将调制信号加载于辐射光源，通过Y波段辐射光场照射产生的自由载流子调制波导折射率，影响传输光场相位分布并实现光控调制。

在一些实施例中，方法通过覆盖芯片集成波导上表面的二维层状材料在辐射光场作用下产生的自由载流子、通过波导折射率变化影响波导内传输光场的相位分布、实现由光场控制的芯片集成光学调制。

在一些实施例中，调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料。

在一些实施例中，将调制信号加载在辐射光源可产生复刻调制信号的辐射光场，辐射广场照射在二硫化钼二维层状材料上可产生复刻调制信号的自由载流子，并进一步产生复刻调制信号的硅基波导折射率变化。

本发明提供一种实现如上述基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法的系统实施例，包括芯片集成光控调制器，所述调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料；通过化学气相沉积法将二维层状材料无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面；辐射光场照射在二维层状材料表面引起自由载流子浓度变化，二维层状材料覆盖的芯片集成波导折射率发生改变并影响传输光场相位分布。

图1所示，本发明提供一种种依托于绝缘体上硅制备工艺的、基于二硫化钼二维层状材料的芯片集成光控调制器的实施例，该调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料；将调制信号加载在辐射光源可产生复刻调制信号的辐射光场，辐射广光场照射在二硫化钼二维层状材料上可产生复刻调制信号的自由载流子，并进一步产生复刻调制信号的硅基波导折射率变化；传输光场感应到此折射率变化，相位分布复刻调制信号，即实现了初始调制信号到传输光场相位的调制转换。

本发明提供一种基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法的实施例，包括：

S101、制备芯片集成光学调制器的无源部分，即能够有效传输X波段传输光场的波导，波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且波导折射率灵敏变化，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度，波导空间排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖；

S102、可通过化学气相沉积等方法将二维层状材料(在光场辐射下能够产生自由载流子)无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面；

S103、将调制信号加载于辐射光源，通过Y波段辐射光场(光场频率需高于二维层状材料带隙能量)照射产生的自由载流子调制波导折射率，影响传输光场相位分布并实现光控调制。

本发明提供一种基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法的实施例，通过覆盖芯片集成波导上表面的二维层状材料在辐射光场作用下产生的自由载流子、通过波导折射率变化影响波导内传输光场的相位分布、实现由光场控制的芯片集成光学调制。

在一些实施例中，芯片集成波导能够通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、能够在自由载流子作用下产生折射率变化，芯片集成波导所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、高折射率石英、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等，即可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法；

在一些实施例中，二维层状材料能够通过生长工艺控制结构参数、能够通过标准工艺无损定向转移至芯片集成波导表面并实现紧密贴合、能够产生光电效应在光场作用下产生自由载流子、能够以晶格结构和薄膜厚度为自由度精确调控电光参数，二维层状材料包括但不限于石墨烯、过渡金属硫化物(二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨、二硒化铂、二硫化铼、二硒化铼、三硒化二铟等)、黑磷和MXene等。

在一些实施例中，光学调制中射光场照射在二维层状材料表面引起自由载流子浓度变化，二维层状材料覆盖的芯片集成波导折射率发生改变并影响传输光场相位分布；辐射光场频率需高于二维层状材料带隙能量；辐射光源既可为激光器也可为LED等非相干光源，辐射光源既可为外部光源也可为内部光源(即光学调制器集成于同一芯片)，辐射光源的调制既可为外调法(即产生辐射光场后再行调制)也可为内调法(即使用调制信号驱动辐射光场)；不限定辐射光场和传输光场波长，不限定调制信号及应用类型，不限定波导结构参数，不限定辐射光源数量、部署位置和发光强度。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明所述光控调制方法没有用到芯片集成电极和外接调制电压，毋须离子注入(即P-I-N结构)和芯片集成电极生成工艺，同时避免了调制电压过高造成的波导击穿问题，结构简单且性能可靠；

其次，本发明所述调制方法的最大调制速率取决于自由载流子耗散速度，调制速度远高于传统的热光调制方法；

此外，本发明为光场调控提供了全新的思路，该辐射光场调控传输光场的设计理念有望在有线光和无线光通信信号直接通联、全光通信信号波长转换等领域得到广泛应用。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，通过标准工艺流程制备芯片集成光学调制器无源部分，将以过渡金属硫化物为代表的二维层状材料无损定向转移至传输波导表面，实现二维层状材料和波导表面的有效贴合；用调制信号控制外接光源产生复刻调制信号的辐射光场，用辐射光场照射待调制区域的二维层状材料，通过光电效应产生自由载流子并引起传输波导折射率变化，此折射率变化将影响在波导内传输的光场相位，实现以辐射光场为驱动源的芯片集成光场调制。

2.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤一、制备芯片集成光学调制器的无源部分；

步骤二、通过一系列工艺手段将二维层状材料无损定向转移至波导表面；

步骤三、影响传输光场相位分布并实现光控调制。

3.根据权利要求2所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，所述步骤一有效传输X波段传输光场的波导，波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且波导折射率灵敏变化，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度，波导空间排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖。

4.根据权利要求2所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，所述步骤二通过化学气相沉积法将二维层状材料无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。

5.根据权利要求2所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，所述步骤三将调制信号加载于辐射光源，通过Y波段辐射光场照射产生的自由载流子调制波导折射率，影响传输光场相位分布并实现光控调制。

6.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，所述方法通过覆盖芯片集成波导上表面的二维层状材料在辐射光场作用下产生的自由载流子、通过波导折射率变化影响波导内传输光场的相位分布、实现由光场控制的芯片集成光学调制。

7.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，所述调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料。

8.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法，其特征在于，将调制信号加载在辐射光源可产生复刻调制信号的辐射光场，辐射广场照射在二硫化钼二维层状材料上可产生复刻调制信号的自由载流子，并进一步产生复刻调制信号的硅基波导折射率变化。

9.一种实现如权利要求1-8所述基于二维层状材料的芯片集成光控调制方法的系统，包括芯片集成光控调制器，所述调制器的无源部分主要由二氧化硅衬底和硅基波导组成，待调制的传输光场沿硅基波导径向传输，硅基波导上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料；通过化学气相沉积法将二维层状材料无损定向转移至波导表面，二维层状材料厚度需优化设计使单位光辐射强度产生的自由载流子浓度最大且耗散时间最短，二维层状材料紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面；辐射光场照射在二维层状材料表面引起自由载流子浓度变化，二维层状材料覆盖的芯片集成波导折射率发生改变并影响传输光场相位分布。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法。

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