CN116243423A - 硅-相变材料异质集成波导结构、非易失波导移相器 - Google Patents

硅-相变材料异质集成波导结构、非易失波导移相器 Download PDF

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Abstract

一种硅‑相变材料异质集成波导结构，包括硅平板层，以及沉积在该硅平板层上的相变材料。以及一种非易失波导移相器，包括基层，以及固定在该基层上的异质集成波导结构和硅波导模斑转换结构，异质集成波导结构的两端对称连接所述的硅波导模斑转换结构；硅波导模斑转换结构，包括呈轴对称设置的两个由窄变宽的硅波导，以及设置在该两个硅波导上方之间的由宽变窄的脊形波导；氧化铝薄膜覆盖在相变材料的上方，在所述的氧化铝薄膜上方的是单层石墨烯，该单层石墨烯上是金属层，所述的金属层包括二个金属电极。单层石墨烯与金属电极形成欧姆接触，电流通过石墨烯产生热量，经单层石墨烯下方的氧化铝薄膜进行传导，提供低损耗相变材料相变所需的热量。本发明移相器具有结构紧凑、插入损耗低、驱动电压小、相变功耗低、相位调节非易失等优点，可以作为集成光电子芯片中的核心光路调控器件。

Description

硅-相变材料异质集成波导结构、非易失波导移相器
技术领域
本发明涉及移相器，特别是一种硅-相变材料异质集成波导结构、非易失波导移相器及其制备方法。
背景技术
通常情况下，硅基光电子集成器件通过热光效应或者载流子色散效应调节硅材料的折射率。但热光效应的响应速度比较慢，通常在微秒量级；载流子色散效应虽然响应时间快，但是其折射率的调节范围有限，通常在10-3量级，需要毫米量级的波导长度以达到传输光π相位的变化，导致硅基高速调制器和光开关的大尺寸和高功耗。虽然采用高Q值谐振腔结构可以减少器件尺寸，但其工作带宽窄，器件性能对环境的变化敏感。因此将折射率变化显著、响应速度快、具有非易失性且低损耗的相变材料与硅异质集成，可以进一步减小硅移相器尺寸和功耗。
低损耗相变材料(包括硒化锑、硫化锑、锗锑硒碲等)作为一类新兴的且具有良好的光学特性的材料，受到了广泛的关注与研究。相变材料具有非晶态-晶态可逆相变的特性，即随着温度的升高和降低，在相变温度附近发生非晶态和晶态之间的可逆转变，且在转变后具有非易失性的特点，同时相变材料的折射率等光学性质也随相变发生急剧的变化。可以通过光、电、热诱导相变材料在非晶态和晶态之间实现可逆转换，如在片外进行激光直写或者片上进行电加热。相变材料由晶态转变到非晶态的时间在几十到几百纳秒量级，而由非晶态到晶态的转化时间在微秒到几十微秒量级，可实现对折射率的快速调制。值得注意的是，相变材料在非晶态-晶态之间的转变在1550nm光通信波段具有较大的折射率变化。以硒化锑为例，其材料折射率变化在1550nm波长处高达～0.8。综上而言，相变材料作为新型材料在光通信领域已经引起了越来越多关注。
发明内容
本发明主要针对现有硅波导热光效应调节功耗高以及载流子色散效应折射率调节范围小，且两者均需要静态功耗来维持调节状态的问题，提出一种硅-相变材料异质集成波导结构、非易失波导移相器及其制备方法。
为了解决上述的问题，本发明的解决方案如下：
一方面，本发明提供一种硅-相变材料异质集成波导结构，其特点在于，包括硅平板层(1)，以及沉积在该硅平板层(1)上的相变材料(5)。
所述的硅平板层(1)的厚度为40～150nm，所述的相变材料(5)的厚度为20～80nm。
另一方面，本发明还提供一种非易失波导移相器，其特点在于，包括基层，以及固定在该基层上的权利要求1-3任一所述的硅-相变材料异质集成波导结构和硅波导模斑转换结构，所述的硅-相变材料异质集成波导结构的两端对称连接所述的硅波导模斑转换结构；
所述的基层，包括硅衬底(3)和附着在该硅衬底(3)上的二氧化硅下包层(2)；
所述的硅波导模斑转换结构，包括呈轴对称设置的两个由窄变宽的硅波导平板(9)，以及设置在该两个硅波导平板(9)上方的由宽变窄的脊形波导(10)；氧化铝薄膜(4)覆盖在相变材料(5)的上方，在所述的氧化铝薄膜(4)上方的是单层石墨烯(6)，该单层石墨烯(6)上是金属层，所述的金属层包括二个金属电极。
所述的硅波导平板(9)和脊形波导(10)的宽度是线性、双曲型或者其他缓变曲线形状，使传输光在硅波导中的模场分布与异质集成波导的模场分布逐渐匹配，从而实现两种结构间的高效耦合。
所述的硅波导平板(9)的厚度为70～150nm，脊形波导(10)的厚度为70～150nm
所述的单层石墨烯(6)与金属电极(7、8)形成欧姆接触，电流流过单层石墨烯(6)产生热量，经下方的氧化铝薄膜(4)进行传导，提供低损耗相变材料(5)相变所需的热量。
所述的氧化铝薄膜(6)的厚度为40～120nm，所述的金属层的厚度为50～300nm。
所述金属电极的材料为金、铝、铜或铂。
单模硅波导通过硅波导模斑转换结构与异质集成波导相连接(如图1)。当入射的横向电场TE模式经过宽度由宽变窄的硅脊形层时，其模场会逐渐向下方宽度由窄变宽的硅平板层扩散。平板层和脊波导层宽度变化可以是线性、双曲型或者其他缓变曲线类型，使传输光在硅波导中的模场分布与异质集成波导的模场分布逐渐匹配，从而实现两种结构间的高效耦合。异质集成波导中，光模场能量部分分布在低损耗相变材料中，从而获得对异质集成波导有效折射率的调节。
所述的相变材料包括但不限于硒化锑、硫化锑、锗锑硒碲，金属电极的材料包括但不限于金、铝、铜、铂。
当低损耗相变材料发生非晶态到晶态之间的可逆相变时，其折射率的实部发生大幅改变，但折射率的虚部维持在较小的数值。因此，优化异质集成波导中硅平板层的厚度和低损耗相变材料的厚度，可以进一步提高异质集成波导有效折射率的变化，在更短的长度上实现π相移，在降低功耗的同时保持较低的光学损耗。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用低损耗相变材料与硅波导结合组成异质集成波导，利用相变材料在非晶态和晶态之间可逆转换的特性，实现了对波导有效折射率的高效调节，从而实现微米量级超小型移相器。特别是(i)直接在硅平板层上沉积低损耗相变材料，来构成异质集成波导，可以进一步增强材料相变对光波的调制作用；(ii)由于石墨烯具有较高的电子迁移率和热传导效率，采用石墨烯作为微型加热器，相比于传统的金属加热器和掺杂硅电阻加热器，可以有效降低相变功耗；(iii)此外，由于相变材料具有非易失性，在完成状态切换后不需要能量来维持，具有低功耗的优点。
相比于硅波导中常用的热光效应和载流子色散效应移相器，本发明移相器具有尺寸小、相位调节速率快、功耗低，且状态非易失等优点，可以作为集成光电子芯片中的核心光路调控器件。
附图说明
图1为本发明基于硅-低损耗相变材料的异质集成非易失波导移相器的平面俯视结构示意图，其中4(6)表示在氧化铝薄膜4上方的是单层石墨烯6。
图2为本发明基于硅-低损耗相变材料的异质集成非易失波导移相器的相位调制区域的AA＇截面结构示意图。
图3为本发明基于硅-低损耗相变材料的异质集成非易失波导移相器的两侧硅波导模斑转换结构区域的BB＇(CC＇)截面结构示意图。
图4为在1550nm的工作波长下，实施例中硅和硒化锑异质集成波导内电场强度归一化的分布图，其中(a)为硒化锑处于非晶态时波导截面的电场分布，(b)为硒化锑处于晶态时波导截面的电场分布，(c)为硒化锑处于非晶态时沿波导纵向中线电场分布，(d)为硒化锑处于晶态时沿波导纵向中线电场分布。
图5为在1550nm的工作波长下，实施例沿光传输方向平面上的电场强度归一化分布图，其中(a)为硒化锑处于非晶态，(b)为硒化锑处于晶态。
图6为在1500nm-1600nm的波长范围内，实施例的传输谱扫描结果，其中(a)为硒化锑处于非晶态，(b)为硒化锑处于晶态。
图7为实施例中非晶化和晶化过程所采用的加热电脉冲及相应的温度变化与分布，其中(a)为非晶化所采用的电脉冲及硒化锑内温度最小值随时间的变化，(b)为晶化所采用的电脉冲及硒化锑内温度最小值随时间的变化，(c)为非晶化加热脉冲结束时波导截面的温度分布，(d)为晶化加热脉冲结束时波导截面的温度分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1和图2为本发明基于硅-低损耗相变材料的异质集成非易失波导移相器的平面俯视结构示意图和截面结构示意图，图3为两侧硅波导模斑转换器的截面结构示意图。由图可见，本发明基于硅-低损耗相变材料的异质集成非易失波导移相器实施例，自下而上依次是硅衬底3，二氧化硅下包层2，硅平板层1，低损耗相变材料硒化锑5，氧化铝薄膜4，单层石墨烯6和金属层。所述的金属层包括两个金属电极7、8，所述的硅平板层1和低损耗相变材料硒化锑5构成异质集成波导。
实施例中，二氧化硅下包层厚度为2μm，硅平板层的厚度为70nm，低损耗相变材料为硒化锑，厚度为40nm，氧化铝薄膜的厚度为80nm，采用的是单层石墨烯以获得较低的光学损耗，金属电极材料为金，厚度为100nm，对于与异质波导相连接的硅波导模斑转换结构，硅平板层的厚度为70nm，硅脊形层的厚度为150nm。
在外加电压作用下，硒化锑发生非晶态到晶态的可逆相变，由于非晶态和晶态的折射率差值大，所以采用长度为～5.2μm的异质集成波导即可实现传输光π相移，获得高效相位调制。
上述实施例的制备可采用但不限于下述流程：首先，对绝缘体上硅基片进行清洗；之后进行电子束光刻，包括光刻胶的旋涂、电子束曝光以及显影定影等过程；在完成电子束光刻之后，需要进行电感耦合等离子体刻蚀以得到所需的硅波导结构；对于相变材料，也需要先进行电子束光刻，而后可采用多靶磁控溅射镀膜系统对相变材料进行溅射沉积操作，然后进行剥离工艺以完成图案化；此后对氧化铝薄膜层进行电子束光刻，并利用等离子体增强原子层沉积设备沉积氧化铝薄膜，沉积完成后进行剥离工艺完成图案化；石墨烯需要经过湿法转移到已完成氧化铝薄膜沉积的基片上，然后利用电子束光刻和氧等离子体刻蚀工艺完成图案化；最后，对金属层进行电子束光刻，通过电子束蒸发进行金属材料的沉积，并利用剥离工艺完成图案化。
图4为硒化锑在非晶态和晶态两种状态下时异质集成波导内TE0模式在1550nm波长处的归一化电场强度分布图。图5为硒化锑在非晶态和晶态两种状态下，实施例沿光传输方向平面上的归一化电场强度分布图。硒化锑材料在从非晶态到晶态相变时折射率可从3.29+0i变化到4.05+0i，变化量比硅的载流子色散效应高2～3个数量级。相应的，可以得到异质集成波导的有效折射率的改变，仿真计算得到波导的有效折射率实部变化为0.155。异质集成波导损耗在硒化锑相变前后从0.062dB/μm变化到了0.056dB/μm，因此，对于一个5.2μm长的移相器，插损仅为0.3dB。
图6分别为硒化锑处于非晶态和晶态时器件在1500nm-1600nm波长范围内的传输谱扫描结果。从传输谱中可以看出，无论硒化锑处于非晶态还是晶态，器件的透射率均高于0.88。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种硅-相变材料异质集成波导结构，其特征在于，包括硅平板层(1)，以及沉积在该硅平板层(1)上的相变材料(5)。
2.根据硅-相变材料异质集成波导结构，其特征在于，所述的硅平板层(1)的厚度为40～150nm，所述的相变材料(5)的厚度为20～80nm。
3.根据硅-相变材料异质集成波导结构，其特征在于，所述的相变材料(5)为硒化锑、硫化锑或锗锑硒碲。
4.一种非易失波导移相器，其特征在于，包括基层，以及固定在该基层上的权利要求1-3任一所述的硅-相变材料异质集成波导结构和硅波导模斑转换结构，所述的硅-相变材料异质集成波导结构的两端对称连接所述的硅波导模斑转换结构；
所述的基层，包括硅衬底(3)和附着在该硅衬底(3)上的二氧化硅下包层(2)；
所述的硅波导模斑转换结构，包括呈轴对称设置的两个由窄变宽的硅波导平板(9)，以及设置在该两个硅波导平板(9)上方的由宽变窄的脊形波导(10)；氧化铝薄膜(4)覆盖在相变材料(5)的上方，在所述的氧化铝薄膜(4)上方的是单层石墨烯(6)，该单层石墨烯(6)上是金属层，所述的金属层包括二个金属电极(7、8)。
5.根据权利要求4所述的非易失波导移相器，其特征在于，所述的硅波导平板(9)和脊形波导(10)的宽度是线性、双曲型或者其他缓变曲线形状，使传输光在硅波导中的模场分布与异质集成波导的模场分布逐渐匹配，从而实现两种结构间的高效耦合。
6.根据权利要求4所述的非易失波导移相器，其特征在于，所述的硅波导平板(9)的厚度为70～150nm，脊形波导(10)的厚度为70～150nm。
7.根据权利要求4所述的非易失波导移相器，其特征在于，所述的单层石墨烯(6)与金属电极(7、8)形成欧姆接触，电流流过单层石墨烯(6)产生热量，经下方的氧化铝薄膜(4)进行传导，提供低损耗相变材料(5)相变所需的热量。
8.根据权利要求4所述的非易失波导移相器，其特征在于，所述的氧化铝薄膜(6)的厚度为40～120nm，所述的金属层的厚度为50～300nm。
9.根据权利要求4所述的非易失波导移相器，其特征在于，所述金属电极的材料为金、铝、铜或铂。
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