CN115639698A - 基于相变材料硫化锑的c波段硅波导微环调制器及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，所述调制器包括微环结构，直波导结构和超材料结构，所述微环结构为环形波导，所述直波导结构位于所述微环结构外侧，所述超材料结构由相变材料硫化锑制备，位于所述微环结构上方，并与所述微环结构构成发挥调制作用的复合区，通过调整所述超材料结构的物理状态，激发硫化锑材料的相变，从而改变输入光在波导中的传输状态，实现信号的调制。本发明具有折射率调节范围更大，结构更紧凑的优点，同时仅需在调制状态切换时提供能量，极大地降低了系统的能耗，可应用于高速、低功耗的硅基光电子器件大规模集成，如超高速共封装光学等。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术技术领域，特别涉及一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器。
背景技术
在当今信息时代，越来越复杂的数据流需要持续开发较小，更快，更有效的信息处理系统。在过去的几十年中，长距离通信已从基于电子设备的系统转变为基于光学的系统，以满足这些要求。当前，光学技术正在较短的距离（如数据中心）实现。为了在较短的距离上实现光学信息处理，正在进行的研究以开发和实施用于片内和片间的光源、调制器和探测器为主。其中，硅光子学已成为互联和通信的有前途的材料平台，这主要是继承于微电子行业的现有基础架构和已有技术。但在当前技术下，硅光子器件要实现高性能的器件和大规模集成仍然存在较大挑战，其中一个重要的原因是目前硅光子器件，特别是调制器的尺寸较大，难以实现大规模集成。
迄今为止，电光硅基调制器主要依靠载流子色散效应，其折射率的调节范围有限，导致调制器通常需要毫米量级的长度，进而限制了器件集成的规模；同时，传统硅基电光调制器和热光调制器若需要保持被调制的目标状态，需要持续被施加的外部电、热作用，能耗通常能达到毫瓦量级，也会限制器件集成的规模。
针对上述问题，本发明通过利用相变材料硫化锑和微环组成复合材料结构，并与硅基直波导进行集成，设计了一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，与传统硅基电光调制器和热光调制器相比，本发明的折射率调节范围更大，具有结构更紧凑的优点，同时被调制状态的保持无需外界能量的持续注入，极大地降低了系统的能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，所述调制器包括微环结构，直波导结构和超材料结构，所述微环结构为环形波导，所述直波导结构位于所述微环结构外侧，所述超材料结构由相变材料硫化锑制备，位于所述微环结构上方，并与所述微环结构构成发挥调制作用的复合区，通过调整所述超材料结构的物理状态，激发硫化锑材料的相变，从而改变输入光在波导中的传输状态，实现信号的调制。
作为优选的，所述微环结构为由硅材料构成的脊形环形波导，所述直波导结构为由硅材料构成的脊形直波导。
作为优选的，所述微环结构、直波导结构和超材料结构均由二氧化硅包裹，形成保护结构。
作为优选的，所述超材料结构内径与外径和所述微环结构的内径与外径保持一致，所述超材料结构底面与所述微环结构顶部直接接触，共同构成可重构模式折射率的复合材料区域，用于对所述直波导结构输入区的输入光进行强度调制。
作为优选的，所述微环结构和所述直波导结构的高度保持一致。
作为优选的，所述微环结构和所述直波导结构以标准 SOI 平台制备。
本发明还公开了上述调制器的调制方法，包括将不同相态折射率的硫化锑制备为超材料结构加入至微环结构上方，将输入光脉冲由直波导结构的输入端输入，使得输入光脉冲在微环结构和超材料结构构成的复合区中受到调制，调制后的光信号具有1或0两种状态，并从直波导结构的输出端进行输出。
作为优选的，所述输入光脉冲进入所述复合区时，光波在波导中的模式有效折射率随硫化锑相态变化而产生差异，进而影响复合区的谐振情况，实现光振幅的调制。
本发明的有益效果：本发明提供的一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，通过在微环上方加入不同相态折射率差异较大的硫化锑，可以使得当倏逝波耦合进微环区域的时候，光波在波导中的模式有效折射率随硫化锑相态变化而产生较大的差异，进而影响该区域的谐振情况，实现光振幅的调制，本发明具有折射率调节范围更大，结构更紧凑的优点，同时仅需在调制状态切换时提供能量，极大地降低了系统的能耗，可应用于高速、低功耗的硅基光电子器件大规模集成，如超高速共封装光学等。
附图说明
图 1 为本发明实施例的整体示意图；
图 2 为本发明实施例的俯视平面示意图；
图 3 为本发明实施例调制器的剖面示意图；
图 4 为本发明实施例对应C波段TE模的输入光下，当相变材料硫化锑分别在折射率3.25和2.7两个相态内，所述调制器的电场分布仿真计算结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明实施例提供一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，参照图1 的示意，所述调制器包括微环结构1、直波导结构3和超材料结构 2，所述微环结构1为由硅材料构成的脊形环形波导，所述直波导结构3为由硅材料构成的脊形直波导，位于所述微环结构1的外侧，所述超材料结构2由相变材料硫化锑制备，位于所述微环结构1上方，与所述微环结构1构成发挥调制作用的复合区，通过调整所述超材料结构1的物理状态，激发硫化锑材料的相变，从而改变输入光在波导中的传输状态，实现信号的调制，所述微环结构1、直波导结构3和超材料结构2均由二氧化硅包裹，形成保护结构。
参照图 2 的示意，所述超材料结构2内径与外径和所述微环结构1的内径与外径保持一致，所述超材料结构2底面与所述微环结构1顶部直接接触，共同构成可重构模式折射率的复合材料区域，可对所述直波导结构输入区的输入光进行强度调制。
参照图 3 的示意，所述微环结构1和所述直波导结构3的高度保持一致，且微环结构1和所述直波导结构3以标准 SOI 平台制备。
本发明提出的一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其工作原理为：微环结构是一种常见的谐振腔结构，当微观结构由硅基脊波导构成时，可以对经过倏逝波耦合的外部光信号进行吸收；在微环上方加入不同相态折射率差异较大的硫化锑，可以使得当倏逝波耦合进微环区域的时候，光波在波导中的模式有效折射率随硫化锑相态变化而产生较大的差异，进而影响该区域的谐振情况，实现光振幅的调制。
本发明结构下，当输入光脉冲从所述直波导结构3的输入端输入后，在由所述微环结构1和所述超材料结构2构成的复合区中受到了调制，调制后的光信号具有“1”和“0”两种状态，从所述直波导结构3的输出端进行输出。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的关键参数包括：所述微环结构1和直波导结构3的总高度和刻蚀深度，为220nm和130nm；所述微环结构1的内外径，为6500nm和7000nm。
从图 4 中可以看出，当输入光从所述直波导结构3入射时，若硫化锑处于折射率为3.25的相态，大部分输入光被储存在所述微环结构1和所述超材料结构2 构成的复合区中，无法从所述直波导结构3的输出端进行输出，形成了光振幅调制中的“0”信号；若硫化锑处于折射率为2.70的相态，大部分输入光未被耦合进所述微环结构1和所述超材料结构2构成的复合区中，可以从所述直波导结构
3的输出端进行输出，形成了光振幅调制中的“1”信号，进而实现信号的高速、低功耗的调制。
综上，本发明提供的一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器具有折射率调节范围更大，结构更紧凑的优点，同时仅需在调制状态切换时提供能量，极大地降低了系统的能耗，可应用于高速、低功耗的硅基光电子器件大规模集成，如超高速共封装光学等等。
另外，目前，主流电光硅基调制器主要依靠载流子色散效应，其折射率的调节范围有限，导致调制器通常需要毫米量级的长度，进而限制了器件集成的规模，相比之下，本发明折射率调节范围更大，具有结构更紧凑的优点。
传统硅基电光调制器和热光调制器若需要保持被调制的目标状态，需要持续被施加的外部电、热作用，能耗通常能达到毫瓦量级，也会限制器件集成的规模，相比之下，本发明仅需在调制状态切换时提供能量，极大地降低了系统的能耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其特征在于：所述调制器包括微环结构1，直波导结构3和超材料结构 2，所述微环结构1为环形波导，所述直波导结构3位于所述微环结构1外侧，所述超材料结构2由相变材料硫化锑制备，位于所述微环结构1上方，并与所述微环结构1构成发挥调制作用的复合区，通过调整所述超材料结构1的物理状态，激发硫化锑材料的相变，从而改变输入光在波导中的传输状态，实现信号的调制。
2.如权利要求1所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其特征在于：所述微环结构1为由硅材料构成的脊形环形波导，所述直波导结构3为由硅材料构成的脊形直波导。
3.如权利要求1所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其特征在于：所述微环结构1、直波导结构3和超材料结构2均由二氧化硅包裹，形成保护结构。
4.如权利要求1所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其特征在于：所述超材料结构2内径与外径和所述微环结构1的内径与外径保持一致，所述超材料结构2底面与所述微环结构1顶部直接接触，共同构成可重构模式折射率的复合材料区域，用于对所述直波导结构输入区的输入光进行强度调制。
5.如权利要求1所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其特征在于：所述微环结构1和所述直波导结构3的高度保持一致。
6.如权利要求1所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器，其特征在于：所述微环结构1和所述直波导结构3以标准 SOI 平台制备。
7.如权利要求1-6任一项所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器的调制方法，其特征在于：包括将不同相态折射率的硫化锑制备为超材料结构加入至微环结构上方，将输入光脉冲由直波导结构的输入端输入，使得输入光脉冲在微环结构和超材料结构构成的复合区中受到调制，调制后的光信号具有1或0两种状态，并从直波导结构的输出端进行输出。
8.如权利要求7所述的基于相变材料硫化锑的C波段硅波导微环调制器的调制方法，其特征在于：所述输入光脉冲进入所述复合区时，光波在波导中的模式有效折射率随硫化锑相态变化而产生差异，进而影响复合区的谐振情况，实现光振幅的调制。
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| CN (1) | CN115639698A (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103293715A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-09-11 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器 |
| US20200081318A1 (en) * | 2015-09-18 | 2020-03-12 | Oxford University Innovation Ltd. | Photonic device |
| CN112415785A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-02-26 | 浙江大学 | 一种基于相变材料的空间光调制系统 |
| CN113267907A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-17 | 北京工业大学 | 一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关 |
| CN113657580A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-16 | 重庆邮电大学 | 基于微环谐振器和非易失性相变材料的光子卷积神经网络加速器 |
| CN113933931A (zh) * | 2021-08-27 | 2022-01-14 | 北京工业大学 | 一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器 |
| CN114488651A (zh) * | 2022-01-04 | 2022-05-13 | 重庆邮电大学 | 基于微环阵列和gst的光子数模转换器及调控方法 |
| CN114815074A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-07-29 | 中山大学 | 一种光调制的微环谐振腔及制备方法 |
| CN114967185A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-30 | 重庆邮电大学 | 基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器 |
| CN115032818A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-09 | 中山大学 | 基于相变材料薄膜可重构的光子集成芯片及其加工方法 |
| CN115097569A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-09-23 | 深圳大学 | 基于氮化硅的微环-亚波长光栅可调谐滤波器 |
-
2022
- 2022-12-07 CN CN202211560510.5A patent/CN115639698A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103293715A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-09-11 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器 |
| US20200081318A1 (en) * | 2015-09-18 | 2020-03-12 | Oxford University Innovation Ltd. | Photonic device |
| CN112415785A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-02-26 | 浙江大学 | 一种基于相变材料的空间光调制系统 |
| CN113267907A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-17 | 北京工业大学 | 一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关 |
| CN113657580A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-16 | 重庆邮电大学 | 基于微环谐振器和非易失性相变材料的光子卷积神经网络加速器 |
| CN113933931A (zh) * | 2021-08-27 | 2022-01-14 | 北京工业大学 | 一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器 |
| CN114488651A (zh) * | 2022-01-04 | 2022-05-13 | 重庆邮电大学 | 基于微环阵列和gst的光子数模转换器及调控方法 |
| CN114967185A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-30 | 重庆邮电大学 | 基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器 |
| CN115032818A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-09 | 中山大学 | 基于相变材料薄膜可重构的光子集成芯片及其加工方法 |
| CN114815074A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-07-29 | 中山大学 | 一种光调制的微环谐振腔及制备方法 |
| CN115097569A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-09-23 | 深圳大学 | 基于氮化硅的微环-亚波长光栅可调谐滤波器 |
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