CN115097567B - 一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器 - Google Patents

一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器 Download PDF

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Abstract

一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，属于光电调制技术领域，解决如何设计一种将横电模和横磁模两种模式集成在一起的调制器的问题，本发明的调制结构采用两个梯形硅波导和一个嵌入矩形硅波导的楔形氧化钒构成，楔形氧化钒安装在楔形凹槽中，楔形氧化钒与楔形凹槽之间的接触面形成一个“V”型界面，在倾斜状态下能同时满足x和y偏振方向都产生表面等离激元，“V”型界面的表面等离激元可以被横电模与横磁模偏振光有效激发，使得本发明的调制器支持双模操作，与传统的电光调制器相比，本发明的电光调制器具有较高的光传播损耗调节能力，且结构简单、紧凑，尺寸处于亚波长量级，极大地缩小了器件尺寸，便于片上集成。

Description

一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器
技术领域
本发明属于光电调制技术领域，涉及一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器。
背景技术
光电调制器是片上电子光子集成电路的重要组件，因为它将电信号与光学数据连接起来。硅光调制器由于具有器件集成度高、传播损耗可忽略、传输速度快、数据承载能力大等优点，成为近几十年来的研究热点。迄今为止，已经开发了大量的硅光调制器。它们在调制深度和调制速度方面表现出良好的性能。在金属和介质界面之间产生和传播的表面质子能够将光压缩到远低于衍射极限的地方，这使得将器件的尺寸缩小到亚波长尺寸成为可能。此外，作为一种表面波，表面质子的特性与界面材料的介电参数密切相关。这意味着通过用相变材料代替硅可以获得强大的电光系数。
氧化钒是一种固态相变材料，在一定条件下显示出半导体相到金属相的转变，在1.55μm的工作波长下，它带来了很大的折射率对比，半导体相折射率为n＝3.24+0.3i，金属相折射率为n＝2.03+2.64i。氧化钒的相变可以通过掺杂、热激发(68℃)、高电场(6.5×107V/m)、光学激发和应变工程诱导。杰出的相变性能和实现折射率变化的各种方法使氧化钒成为具有较短器件长度和较高调制效率的调制器的选择。
如图8和图9所示，分别为横电模的波导横截面和横磁模的波导横截面，在硅波导中存在两种基本的本征模式，一种称为横电模，一种称为横磁模。两种模式用光的电场和磁场的偏振方向来定义。选择电场只沿平行于波导界面的y方向偏振，此时电场垂直于光的传输方向z，是横向的，因而把这种模式称为横电模。选择磁场只沿平行于波导界面的y方向偏振，此时磁场垂直于光的传输方向z，是横向的，因而把这种模式成为横磁模。
现有技术中调制器的结构要么只支持横电模，要么只支持横磁模；例如，公布日期为2020年4月24日、公布号为CN111061069A的中国发明专利申请《基于硅和相变材料的槽型复合波导的电光调制器》公开了一种驱动电压小、消光比高、功耗低的电光调制器，但是该文献只支持横电模操作。横电模和横磁模两种模式的调制器结构是不一样的，只支持单模操作的调制器需要运用到“起偏器”来调节入射光偏振方向以满足调制器的光源要求，无形中增加了结构的空间，不利用调制器的小型化集成。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于如何设计一种将横电模和横磁模两种模式集成在一起的调制器，以缩小器件的尺寸，便于片上集成。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，包括：由上到下依次相叠的二氧化硅上包层(1)、调制层(2)、二氧化硅埋层(3)、硅衬底层(4)；所述的调制层(2)包括：金属电极(21)、二氧化硅粘附层(22)、调制结构(23)、入射硅波导(24)、出射硅波导(25)、第一耦合光栅(26)、第二耦合光栅(27)；所述的调制结构(23)包括：楔形氧化钒(231)、矩形硅波导(232)、第一梯形硅波导(233)、第二梯形硅波导(234)；其中，第一耦合光栅(26)、入射硅波导(24)、第一梯形硅波导(233)、矩形硅波导(232)、第二梯形硅波导(234)、出射硅波导(25)、第二耦合光栅(27)从左到右依次连接；所述的矩形硅波导(232)上加工有与楔形氧化钒(231)相匹配的楔形凹槽，所述的楔形氧化钒(231)安装在楔形凹槽中，楔形氧化钒(231)与楔形凹槽之间的接触面形成一个“V”型界面，所述的二氧化硅粘附层(22)粘贴在楔形氧化钒(231)的上表面，所述的金属电极(21)设置在二氧化硅粘附层(22)的上表面，用于加载矩形脉冲电压信号。
本发明的调制结构(23)采用两个梯形硅波导和一个嵌入矩形硅波导(232)的楔形氧化钒(231)构成，楔形氧化钒(231)安装在楔形凹槽中，楔形氧化钒(231)与楔形凹槽之间的接触面形成一个“V”型界面，在倾斜状态下能同时满足x和y偏振方向都产生表面等离激元，随着加载的矩形脉冲电压信号的变化呈现金属相和半导体相，“V”型界面的表面等离激元可以被横电模与横磁模偏振光有效激发，使得本发明的调制器在横电模与横磁模两种模式下均具有良好的调制性能，即支持双模操作，相当于把横电模和横磁模两种模式集成在一起，与传统的电光调制器相比，本发明的电光调制器具有较高的光传播损耗调节能力，且结构简单、紧凑，尺寸处于亚波长量级，极大地缩小了器件尺寸，便于片上集成。
进一步地，所述的矩形脉冲电压信号处于高电平状态时，楔形氧化钒(231)为半导体相，入射的光信号直接透射通过调制结构(23)，调制结构(23)呈现“开启”状态；所述的矩形脉冲电压处信号于低电平状态时，楔形氧化钒(231)为金属相，入射的光信号进入调制结构(23)时，楔形氧化钒(231)表面等离激元被激发并在矩形硅波导(232)的楔形凹槽和楔形氧化钒(231)之间的界面上传播，调制结构(23)呈现“关闭”状态。
进一步地，所述的调制层(2)被夹在二氧化硅上包层(1)与二氧化硅埋层(3)之间，所述的调制层(2)的上部被二氧化硅上包层(1)覆盖，调制层(2)的下部设置在二氧化硅埋层(3)的上表面；所述的二氧化硅埋层(3)的下表面与硅衬底层(4)的上表面贴合。
进一步地，所述的第一耦合光栅(26)的光信号输出端与入射硅波导(24)的光信号输入端连接，所述的入射硅波导(24)的光信号输出端与第一梯形硅波导(233)的光信号输入端连接，所述的第一梯形硅波导(233)的光信号输出端与矩形硅波导(232)的光信号输入端连接，所述的矩形硅波导(232)的光信号输出端与第二梯形硅波导(234)的光信号输入端连接，所述的第二梯形硅波导(234)的光信号输出端与出射硅波导(25)的光信号输入端连接，所述的出射硅波导(25)的光信号输出端与第二耦合光栅(27)的光信号输入端连接；所述的第一耦合光栅(26)的光信号输入端的端面以及所述的第二耦合光栅(27)的光信号输出端的端面分别与二氧化硅上包层(1)的两个侧面齐平。
进一步地，所述的第一梯形硅波导(233)的光信号输出端的端面以及所述的第二梯形硅波导(234)的光信号输入端的端面分别与矩形硅波导(232)的光信号输入端的端面以及矩形硅波导(232)的光信号输出端的端面对齐贴合连接，第一梯形硅波导(233)、矩形硅波导(232)、第二梯形硅波导(234)形成一个等腰拱桥形结构。
在一种实施例中，所述的等腰拱桥形结构的最大高度为450nm，最小高度为220nm，长度为1.5μm，整体宽度与入射硅波导(24)和出射硅波导(25)一致，均为450nm，入射硅波导(24)与出射硅波导(25)的高度为220nm，与等腰拱桥形结构的的最小高度相同。
进一步地，所述的金属电极(21)的上表面与二氧化硅上包层(1)的上表面齐平，金属电极(21)裸露在外面。
本发明的优点在于：
本发明的调制结构采用两个梯形硅波导和一个嵌入矩形硅波导的楔形氧化钒构成，楔形氧化钒安装在楔形凹槽中，楔形氧化钒与楔形凹槽之间的接触面形成一个“V”型界面，在倾斜状态下能同时满足x和y偏振方向都产生表面等离激元，“V”型界面的表面等离激元可以被横电模与横磁模偏振光有效激发，使得本发明的调制器支持双模操作，与传统的电光调制器相比，本发明的电光调制器具有较高的光传播损耗调节能力，且结构简单、紧凑，尺寸处于亚波长量级，极大地缩小了器件尺寸，便于片上集成。
附图说明
图1是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器结构的主视透视图；
图2是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器结构的爆炸图；
图3是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器结构的俯视透视图；
图4是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器结构的前视透视图；
图5是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器结构的侧视透视图；
图6是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器的调制工作原理图；
图7是本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器的仿真光学特性的俯视图；
图8是横电模的波导横截面图；
图9是横磁模的波导横截面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1至图5所示，一种双模操作等离子体波导调制器，包括：二氧化硅上包层1、调制层2、二氧化硅埋层3、硅衬底层4；所述的调制层2包括：金属电极21、二氧化硅粘附层22、调制结构23、入射硅波导24、出射硅波导25、第一耦合光栅26、第二耦合光栅27；所述的调制结构23包括：楔形氧化钒231、矩形硅波导232、第一梯形硅波导233、第二梯形硅波导234。
如图1和图4所示，所述的调制层2的上部被二氧化硅上包层1覆盖，调制层2的下部设置在二氧化硅埋层3的上表面，调制层2被夹在二氧化硅上包层1与二氧化硅埋层3之间，所述的二氧化硅埋层3的下表面与硅衬底层4的上表面贴合。
如图2所示，所述的第一耦合光栅26的光信号输出端与入射硅波导24的光信号输入端连接，所述的入射硅波导24的光信号输出端与第一梯形硅波导233的光信号输入端连接，所述的第一梯形硅波导233的光信号输出端与矩形硅波导232的光信号输入端连接，所述的矩形硅波导232的光信号输出端与第二梯形硅波导234的光信号输入端连接，所述的第二梯形硅波导234的光信号输出端与出射硅波导25的光信号输入端连接，所述的出射硅波导25的光信号输出端与第二耦合光栅27的光信号输入端连接；所述的第一耦合光栅26的光信号输入端的端面以及所述的第二耦合光栅27的光信号输出端的端面分别与二氧化硅上包层1的两个侧面齐平。
所述的矩形硅波导232上加工有楔形凹槽，所述的楔形凹槽与楔形氧化钒231的形状相匹配，所述的楔形氧化钒231安装在楔形凹槽中；所述的二氧化硅粘附层22粘贴在楔形氧化钒231的上表面，所述的金属电极21设置在二氧化硅粘附层22的上表面。
如图5所示，金属电极21的上表面与二氧化硅上包层1的上表面齐平，金属电极21裸露在外面，金属电极21用于加载矩形脉冲电压信号。
所述的第一梯形硅波导233的光信号输出端的端面以及所述的第二梯形硅波导234的光信号输入端的端面分别与矩形硅波导232的光信号输入端的端面以及矩形硅波导232的光信号输出端的端面对齐贴合连接，第一梯形硅波导233、矩形硅波导232、第二梯形硅波导234形成一个等腰拱桥形结构；等腰拱桥形结构的最大高度为450nm，最小高度为220nm，长度为1.5μm，整体宽度与入射硅波导24和出射硅波导25一致，均为450nm，入射硅波导24与出射硅波导25的高度为220nm，与等腰拱桥形结构的的最小高度相同。
调制器的工作原理
由于氧化钒在电激励下的相变特性，调制结构23在通过金属电极21外接矩形脉冲电压时具有“开启”和“关闭”两种状态。当矩形脉冲电压处于高电平状态时，调制结构23中的楔形氧化钒231为半导体相，在1550nm波长处的折射率为n＝3.24+0.30i，由于硅的折射率为3.48，因此来自入射端的光信号透射通过调制区域，即调制结构23呈现“开启”状态；1550nm波长的入射光通过第一耦合光栅26在入射硅波导24中传播，穿过第一梯形硅波导233后光信号进入调制区域，然后将带有外部电压信息的透射光信号通过第二梯形硅波导234离开调制区域进入出射硅波导25，最后光信号通过第二耦合光栅27由外接光信宿接收。
当矩形脉冲电压处于低电平状态时，所述楔形氧化钒231为金属相，1550nm波长处的折射率为n＝2.03+2.64i，当光进入调制区域时，表面等离激元被激发并在矩形硅波导232的楔形凹槽和楔形氧化钒231之间的界面上传播，高损耗的表面等离激元大大降低了输出光信号的能量，即调制结构23呈现“关闭”状态。
如图6所示，虚线表示金属电极21上加载的矩形脉冲电压，实线表示调制器的出射端光信号。由于调制结构23的矩形硅波导232的楔形凹槽和楔形氧化钒231之间的界面(“V”型界面)是倾斜的，在倾斜状态下能同时满足x和y偏振方向都产生表面等离激元，因此，“V”型(金属相—半导体相)界面的表面等离激元可以被横电模与横磁模偏振光有效激发。
如图7所示，为本发明实施例的双模操作等离子体波导调制器的仿真光学特性的俯视图，图中(a)、(c)分别是楔形氧化钒处于半导体相时，调制结构处于横电模和横磁模偏振模式下的电场分布；图中(b)、(d)分别是楔形氧化钒处于半导体相时，调制结构处于横电模和横磁模偏振模式下的电场分布；从图中可以看出本发明的调制结构在横电模与横磁模两种模式下均具有良好的调制性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，包括：由上到下依次相叠的二氧化硅上包层(1)、调制层(2)、二氧化硅埋层(3)、硅衬底层(4)；所述的调制层(2)包括：金属电极(21)、二氧化硅粘附层(22)、调制结构(23)、入射硅波导(24)、出射硅波导(25)、第一耦合光栅(26)、第二耦合光栅(27)；所述的调制结构(23)包括：楔形氧化钒(231)、矩形硅波导(232)、第一梯形硅波导(233)、第二梯形硅波导(234)；其中，第一耦合光栅(26)、入射硅波导(24)、第一梯形硅波导(233)、矩形硅波导(232)、第二梯形硅波导(234)、出射硅波导(25)、第二耦合光栅(27)从左到右依次连接；所述的矩形硅波导(232)上加工有与楔形氧化钒(231)相匹配的楔形凹槽，所述的楔形氧化钒(231)安装在楔形凹槽中，所述的二氧化硅粘附层(22)粘贴在楔形氧化钒(231)的上表面，所述的金属电极(21)设置在二氧化硅粘附层(22)的上表面，用于加载矩形脉冲电压信号。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，所述的矩形脉冲电压信号处于高电平状态时，楔形氧化钒(231)为半导体相，入射的光信号直接透射通过调制结构(23)，调制结构(23)呈现“开启”状态；所述的矩形脉冲电压处信号于低电平状态时，楔形氧化钒(231)为金属相，入射的光信号进入调制结构(23)时，楔形氧化钒(231)表面等离激元被激发并在矩形硅波导(232)的楔形凹槽和楔形氧化钒(231)之间的界面上传播，调制结构(23)呈现“关闭”状态。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，所述的调制层(2)被夹在二氧化硅上包层(1)与二氧化硅埋层(3)之间，所述的调制层(2)的上部被二氧化硅上包层(1)覆盖，调制层(2)的下部设置在二氧化硅埋层(3)的上表面；所述的二氧化硅埋层(3)的下表面与硅衬底层(4)的上表面贴合。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，所述的第一耦合光栅(26)的光信号输出端与入射硅波导(24)的光信号输入端连接，所述的入射硅波导(24)的光信号输出端与第一梯形硅波导(233)的光信号输入端连接，所述的第一梯形硅波导(233)的光信号输出端与矩形硅波导(232)的光信号输入端连接，所述的矩形硅波导(232)的光信号输出端与第二梯形硅波导(234)的光信号输入端连接，所述的第二梯形硅波导(234)的光信号输出端与出射硅波导(25)的光信号输入端连接，所述的出射硅波导(25)的光信号输出端与第二耦合光栅(27)的光信号输入端连接；所述的第一耦合光栅(26)的光信号输入端的端面以及所述的第二耦合光栅(27)的光信号输出端的端面分别与二氧化硅上包层(1)的两个侧面齐平。
5.根据权利要求4所述的基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，所述的第一梯形硅波导(233)的光信号输出端的端面以及所述的第二梯形硅波导(234)的光信号输入端的端面分别与矩形硅波导(232)的光信号输入端的端面以及矩形硅波导(232)的光信号输出端的端面对齐贴合连接，第一梯形硅波导(233)、矩形硅波导(232)、第二梯形硅波导(234)形成一个等腰拱桥形结构。
6.根据权利要求5所述的基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，所述的等腰拱桥形结构的最大高度为450nm，最小高度为220nm，长度为1.5μm，整体宽度与入射硅波导(24)和出射硅波导(25)一致，均为450nm，入射硅波导(24)与出射硅波导(25)的高度为220nm，与等腰拱桥形结构的的最小高度相同。
7.根据权利要求1所述的基于相变材料的紧凑型双模等离子体波导调制器，其特征在于，所述的金属电极(21)的上表面与二氧化硅上包层(1)的上表面齐平，金属电极(21)裸露在外面。
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