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CN105676484A - 基于ito材料的吸收型光调制器结构 - Google Patents

基于ito材料的吸收型光调制器结构 Download PDF

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CN105676484A
CN105676484A CN201610226225.8A CN201610226225A CN105676484A CN 105676484 A CN105676484 A CN 105676484A CN 201610226225 A CN201610226225 A CN 201610226225A CN 105676484 A CN105676484 A CN 105676484A
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China
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optical
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ito
optical modulator
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CN201610226225.8A
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刘永
夏瑞杰
叶胜威
袁飞
陆荣国
张雅丽
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University of Electronic Science and Technology of China
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University of Electronic Science and Technology of China
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/011—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass
    • G02F1/0115—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass in optical fibres

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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了基于ITO材料的吸收型光调制器结构，其主旨在于提供一种调制深度高、消光比高，且同时具有小尺寸、低插入损耗、低功耗、高速率的基于ITO材料的吸收型光调制器结构。其包括基底层（1），在基底层（1）上设置有呈梯形结构的第一光波导层（2），第一光波导层（2）上依次设置有ITO层（4）、HfO2隔离层（5）、第二光波导层（3）。用于光子集成及光纤通信系统中。

Description

基于ITO材料的吸收型光调制器结构
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种光调制器，尤其涉及基于ITO材料的吸收型光调制器结构。
背景技术
光调制器是将电信号转加载到光信号并送入光纤进行传输的模块，是光纤通信系统中的关键器件之一。在短脉冲的产生、信号的解复用、数据编码、光互联、波长交换、光分插复用等领域有着广泛的应用，是未来高速光通信系统的核心器件之一，有着极为广阔的应用空间。近年来，随着数据通信业务爆炸性增长，人们对带宽的需求越来越高，这就使得在未来的光通信中光调制器小型化、集成化、低功耗化、高速率化的发展成为趋势。几十年来，随着各种新型光电材料的发现，其在光电子器件方面的应用得到广泛的关注和研究，也取得了长足的进展，例如基于石墨烯材料的光调制器(见文献MingLiu,etal.Agraphene-basedbroadbandopticalmodulator.Nature,2011,Vol474,p64-67)。研究表明，基于石墨烯材料的光调制器有可能实现超高速率的光信号调制，但是，基于这类新型的二维材料的光调制器都存在一个问题，即提高调制深度需要更长的石墨烯光波导长度，这样也就提高了插入损耗和功耗，增大了器件的尺寸。
铟锡氧化物(简称ITO)是In2O3掺Sn的半导体材料，是一种透明导电氧化物半导体材料，具有稳定的化学性质，透光性优良、导电能力良好，已在太阳能电池、平板显示、防霜玻璃、节能建筑窗、航空航天领域得到了广泛的应用(见文献袭著有,许启明,赵鹏,田晓珍.ITO薄膜特性及发展方向.西安建筑科技大学学报(自然科学版),第36卷第1期,2004)。近几年来，其在集成光电子器件中的应用也引起了广泛的关注(见文献S.Zhu,etal.Helmy.Designofanultra-compactelectro-absorptionmodulatorcomprisedofadepositedTiN/HfO2/ITO/CustackforCMOSbackendintegration.Opt.Express,2011,Vol22,p17930-17947)。
二氧化铪(HfO?)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近年来在工业界特别是微电子领域被引起高度的关注，由于它最可能替代目前硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极绝缘层二氧化硅(SiO?)，以解决目前MOSFET中传统SiO?/Si结构的发展的尺寸极限问题。
正如上述现有的光调制器中存在对光调制深度和插入损耗、器件尺寸等设计需要折中做处理的难题，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种调制深度高、消光比高，且同时具有小尺寸、低插入损耗、低功耗、高速率的基于ITO材料的吸收型光调制器结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于ITO材料的吸收型光调制器结构，包括基底层，在基底层之上有第一光波导层，第一光波导层呈梯形结构，ITO（氧化铟锡）层、HfO2（二氧化铪）隔离层和第二光波导层依次覆盖在第一光波导层之上。
其中，所述基底层的材料为SiO2。
其中，所述第一光波导层、第二光波导层的材料为Si。
其中，所述第二光波导层上表面呈矩形结构。
其中，所述ITO（氧化铟锡）层的厚度为3~10nm。
其中，所述HfO2（二氧化铪）隔离层的厚度为5nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、相对简单的波导结构设计，制作工艺简单。
2、本发明可大大提高调制器的调制深度和调制速率，同时降低插入损耗和减小器件尺寸，调制器调制深度可高达27dB/μm、1μm长度光调制器区域消光比可达27dB，且同时具有小尺寸(实现3dB的调制只需109nm长度的石墨烯波导)、插入损耗可低至0.03dB/μm、低功耗(6.59fJ/bit)、调制速率可高达85GHz/bit。
3、本发明光调制器制备工艺上可与传统的CMOS工艺相兼容，易于高度光子集成。
4、ITO（氧化铟锡）层和HfO2（二氧化铪）隔离层的组合实现了光调制器同时拥有小尺寸和高性能的优点，无需对光调制深度和插入损耗、器件尺寸等设计做折中的处理。
附图说明
图1是本发明实施例光调制器三维结构示意图；
图2是本发明实施例光调制器光波导对TM模的光吸收系数随ITO表面载流子浓度的变化曲线图；
图3是本发明实施例光调制器光波导中当ITO材料厚度为10nm时，TM模在“ON”和“OFF”状态下的归一化功率随着传输长度变化的曲线图；
图中标记，1、基底层，2、第一光波导层，3、第二光波导层，4、ITO层，5、HfO2隔离层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图，本发明的基于ITO材料的吸收型光调制器结构，如图1所示，包括基底层，在基底层之上有第一光波导层，第一光波导层呈梯形结构，ITO层、HfO2隔离层和第二光波导层依次覆盖在第一光波导层之上。
其中，所述基底层的材料为SiO2。
其中，所述第一光波导层、第二光波导层的材料为Si。
其中，所述第二光波导层上表面呈矩形结构。
其中，所述ITO层的厚度为3~10nm。
其中，所述HfO2隔离层的厚度为5nm。
本发明的光调制器工作原理为：外加电压施加在ITO层上，通过调制ITO材料表面聚集的载流子浓度变化来改变其光学响应特性，从而调控光波导中有效折射率的实部和虚部的变化，有效折射率的实部对应光相位的改变，有效折射率的虚部对应光的吸收系数。在特定偏置电压点，该光波导的光吸收系数非常小，光信号几乎可以无损耗的通过，可作为“ON”状态；在另一个特定偏置电压点，可引起较大的光吸收系数，光信号几乎全部被吸收掉而无法通过光波导，可作为“OFF”状态。将第一光波导层设置为梯形结构，这样就在波导中引入更大面积的ITO层，增大了ITO与光的有效作用面积，大大提高了光调制效率。合理选择ITO层的厚度，可以明显提升光信号的光吸收调制效果。HfO?是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近年来在工业界特别是微电子领域被引起极度的关注，由于它最可能替代目前硅基集成电路的核心器件MOSFET的栅极绝缘层SiO?，可以解决目前MOSFET中传统SiO?/Si结构的发展的尺寸极限问题。且基于ITO材料的吸收型光调制器制备工艺与传统的CMOS工艺兼容，具有易于集成的优点。
实施例
本实施例基于ITO材料的吸收型光调制器结构三维结构示意图如图1所示；采用波长为1.55μm的光波，第一光波导层，第一光波导层呈梯形结构，ITO层、HfO2隔离层和第二光波导层依次覆盖在第一光波导层之上。基底层的材料为SiO2，第一光波导层和第二光波导层的材料均为Si，第一光波导层梯形结构下底长为0.3μm，上底长为0.2μm，高度为0.17μm；第二光波导层上表面呈矩形结构，高度为0.17μm，宽度为0.3μm，HfO2隔离层的厚度为5nm。
图1是本发明实施例光调制器三维结构示意图，包括基底层，在基底层之上有第一光波导层，第一光波导层呈梯形结构，ITO层、HfO2隔离层和第二光波导层依次覆盖在第一光波导层之上。
图2是本发明实施例光调制器光波导对TM模的光吸收系数随ITO材料表面载流子浓度的变化的示意图，研究了不同ITO材料厚度时光波导对TM模的光吸收系数的影响。研究表明当ITO材料厚度为10nm时，可以引起光波导对TM模足够大的光吸收系数，该光吸收系数可高达27dB/μm，此值数倍大于当ITO材料厚度为5nm和3nm时的光吸收系数。
图3是本发明实施例光调制器光波导中当ITO材料厚度为10nm时，TM模在“ON”和“OFF”状态下的归一化功率随着传输长度变化的曲线图。从图中明显可见，1μm长度的基于ITO材料的吸收型光调制器在“ON”状态时，光信号几乎没有损耗的通过；但在“OFF”状态时，光信号随着传输距离迅速衰减。计算结果显示，实现3dB的调制只需109nm长度的石墨烯波导，1μm长度的光调制器即可实现27dB的消光比，插入损耗为0.03dB/μm。
对于一个光调制器，其调制速率和功耗也是衡量其性能的关键参数。对于本发明光调制器结构的光调制速率主要是受RC常数的限制，可表达为f3dB=1/2πRC，功耗的计算表达式为Ebit=C(ΔU)2/4，其中R=500Ω为调制器的系统电阻，C=3.7229fJ是调制器的系统电容，ΔU=2.66V是本发明调制器在“ON”和“OFF”状态切换时的电压差。计算结果表明，本发明光调制器的调制速率为85GHz/bit，而功耗只有6.59fJ/bit。

Claims (6)

1.基于ITO材料的吸收型光调制器结构，包括基底层（1），在基底层（1）上设置有呈梯形结构的第一光波导层（2），第一光波导层（2）上依次设置有ITO层（4）、HfO2隔离层（5）、第二光波导层（3）。
2.根据权利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光调制器结构，其特征在于，所述基底层的材料为SiO2。
3.根据权利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光调制器结构，其特征在于，所述第一光波导层、第二光波导层的材料为Si。
4.根据权利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光调制器结构，其特征在于，所述第二光波导层上表面呈矩形结构。
5.根据权利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光调制器结构，其特征在于，所述ITO层的厚度为3~10nm。
6.根据权利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光调制器结构，其特征在于，所述HfO2隔离层的厚度为5nm。
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