CN115167014A - 一种基于二氧化钒超材料结构的c波段硅基调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，包括SOI基底，所述SOI基底上沿长度方向的对称轴上呈凸起结构，所述凸起结构为波导层，所述波导层为条形直波导，所述条形直波导分为输入区波导、复合区波导和输出区波导，所述复合区波导上方刻蚀的一排小孔内填充有超材料结构，所述波导层和所述超材料结构由二氧化硅包裹。本发明具有器件尺寸小、状态切换速度快和能耗低的特点。采用二氧化钒超材料结构，可实现小尺寸的调制器；相变材料在不同外界能量刺激下，其折射率会发生改变，且切换速度极快，飞秒量级的光脉冲即可实现状态间的快速切换；在无外界能量刺激下，状态会维持在原有状态，在切换要求不频繁的系统中，可大大降低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信技术领域，尤其涉及一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器。
背景技术
随着云计算、物联网以及各种智能终端的普及应用，人们对数据的需求量越来越大，对通信系统在通信容量、速度以及能耗等方面的要求越来越高，传统的通信技术逐渐无法满足海量数据传输的需求。硅光子学得益于其集成度高、带宽大、能耗低、和CMOS工艺兼容等特点，在大容量、低能耗、低成本通信方面有突出优势，是片上光互连最具有潜力的方案之一，在近年取得了一系列重要进展。但在当前技术下，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。
由于硅在载流子色散效应下折射率的调节范围有限，传统的硅基调制器尺寸较大，通常需要毫米量级的长度。为了解决硅基调制器小型化的难题，目前可以通过增强光与物质的相互作用的方法，如使用高对比度介质材料，来缩小调制器的尺寸，但是有源区的长度仍达到数百微米；还可以通过增加光与传输介质的有效作用长度的方法，如使用谐振结构来降低器件尺寸，来缩小调制器的尺寸，但是工作带宽较窄。
针对上述问题，本发明设计了一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，解决了现有技术中传统基于载流子色散效应的硅基调制器的器件尺寸大带来的难以实现超大规模集成的挑战的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，包括SOI 基底，所述SOI 基底上沿长度方向的对称轴上呈凸起结构，所述凸起结构为波导层，所述波导层为条形直波导，所述条形直波导分为输入区波导、复合区波导和输出区波导，所述复合区波导上方刻蚀的一排小孔内填充有超材料结构，所述波导层和所述超材料结构由二氧化硅包裹。
进一步地，所述凸起结构为所述SOI 基底的顶硅，高度为220nm。
进一步地，所述复合区波导的长度为4-6μm。
进一步地，所述复合区波导上方刻蚀的一排小孔以所述复合区波导的长度方向的中轴线均布排列，所述小孔的直径为80nm-120nm，相邻所述小孔的间距为130nm-170nm。
进一步地，所述超材料结构为相变材料二氧化钒。
进一步地，所述超材料结构为圆柱形，所述圆柱形的上表面与所述复合区波导上表面齐平，用于形成超表面结构，当超表面结构被施加不同的温度时，其所在的复合区波导的折射率随之进行突变，实现输入光传输状态的调制。
进一步地，所述输入区波导的输出端与所述复合区波导的输入端相连，所述输入区波导和所述复合区波导的高度和宽度相等，所述输入区波导用于C波段TM模待调制光的输入。
进一步地，所述输出区波导的输入端与所述复合区波导的输出端相连，所述输出区波导和所述复合区波导的高度和宽度相等，所述输出区波导用于光信号的输出。
本发明的有益效果是：
1、本发明极大地降低了硅基调制器的尺寸，由于硅在载流子色散效应下折射率的调节范围有限，使得传统的硅基调制器尺寸较大，通常需要毫米量级的长度，不利于硅基调制器的大规模集成，而本发明中，采用二氧化钒超材料结构，可实现小尺寸的调制器，调制器中实现调制功能的复合区波导长度仅为5微米左右。
2、本发明具有器件尺寸小、状态切换速度快和能耗低的特点。相变材料在不同的外界能量刺激下，其折射率会发生改变，且切换速度极快，飞秒量级的光脉冲即可实现状态间的快速切换；在无外界能量刺激下，状态会维持在原有状态，在切换要求不频繁的系统中，可以大大降低功耗。
附图说明
图 1 为本发明一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器的整体示意图；
图 2 为本发明一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器的俯视平面示意图；
图 3 为本发明一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器的垂直于光传输方向的剖面示意图；
图 4 为本发明一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器对应C波段TM模的输入光下，当二氧化钒在两个不同状态之间切换时，整体结构的电场分布仿真计算结果；
图 5 为本发明一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器对应C波段TM模的输入光下，当二氧化钒在两个不同状态之间切换时，在输出区检测到的透射率仿真计算结果。
附图标记说明
1-SOI 基底，2-波导层，21-输入区波导，22-复合区波导，23-输出区波导，3-超材料结构。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
参见图1-图3，一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，包括SOI 基底1，所述SOI 基底1上沿长度方向的对称轴上呈凸起结构，所述凸起结构为波导层2，所述波导层2为条形直波导，所述条形直波导分为输入区波导21、复合区波导22和输出区波导23，所述复合区波导22上方刻蚀的一排小孔内填充有超材料结构3，所述波导层2和所述超材料结构3由二氧化硅包裹。
所述凸起结构为所述SOI 基底1的顶硅，高度为220nm。
所述复合区波导22的长度为4-6μm。
所述复合区波导22上方刻蚀的一排小孔以所述复合区波导22的长度方向的中轴线均布排列，所述小孔的直径为80nm-120nm，相邻所述小孔的间距为130nm-170nm。
所述超材料结构3为相变材料二氧化钒。
所述超材料结构3为圆柱形，所述圆柱形的上表面与所述复合区波导22上表面齐平，用于形成超表面结构，当超表面结构被施加不同的温度时，其所在的复合区波导22的折射率随之进行突变，实现输入光传输状态的调制。
所述输入区波导21的输出端与所述复合区波导22的输入端相连，所述输入区波导21和所述复合区波导22的高度和宽度相等，所述输入区波导21用于C波段TM模待调制光的输入。
所述输出区波导23的输入端与所述复合区波导22的输出端相连，所述输出区波导23和所述复合区波导22的高度和宽度相等，所述输出区波导23用于光信号的输出。
本发明提出的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其工作原理为：二氧化钒的显著特征是在临界温度下的可进行可逆金属-绝缘体转变行为，这带来了从高透射率到高反射率的强烈光学对比，对于近红外光波，二氧化钒介电常数变化很大，同时，二氧化钒的光学特性可以通过热、电、磁和应变进行调节。当器件温度低于临界温度，二氧化钒的晶格结构为单斜绝缘相，折射率为3.13+0.36i，光的透过率较高；当器件温度接近临界温度，二氧化钒的晶格结构会从单斜绝缘相转变为四方金属相，折射率变为2.13+2.844i，光的透过率降低；同时，由30个圆柱形二氧化钒结构组成的超材料结构加强了二氧化钒在不同状态下折射率变化的影响，从而可以有效调控输出光状态。
本发明结构下，当输入光脉冲从所述输入区波导21输入后，在所述复合区波导 22中被调制，调制后的信号从输出区波导 23输出端输出。
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：条形直波导的宽度为500nm、高度为220nm；超材料结构3的直径为100nm、高度为70nm、周期为150nm。
参见图4-图5，对应光从输入区波导21输入时，当器件温度低于临界温度，二氧化钒的晶格结构为单斜绝缘相，折射率为3.13+0.36i，光的透过率较高，在 1550nm处大于-2.5dB，器件处于“开”状态；当器件温度接近临界温度，二氧化钒的晶格结构会从单斜绝缘相转变为四方金属相，折射率变为2.13+2.844i，光的透过率降低，在1550nm 处小于-10dB，器件处于“关”状态，实现了不同外界条件下的光调制。
综上，本发明提供的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器可以弥补硅材料在载流子色散效应下折射率的调节范围有限的不足，缩小了硅基调制器的尺寸，同时具有切换速度快和能耗低的特点，有助于实现硅基光电子器件的大规模集成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，包括SOI 基底（1），所述SOI 基底（1）上沿长度方向的对称轴上呈凸起结构，所述凸起结构为波导层（2），所述波导层（2）为条形直波导，所述条形直波导分为输入区波导（21）、复合区波导（22）和输出区波导（23），所述复合区波导（22）上方刻蚀的一排小孔内填充有超材料结构（3），所述波导层（2）和所述超材料结构（3）由二氧化硅包裹。
2.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述凸起结构为所述SOI 基底（1）的顶硅，高度为220nm。
3.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述复合区波导（22）的长度为4-6μm。
4.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述复合区波导（22）上方刻蚀的一排小孔以所述复合区波导（22）的长度方向的中轴线均布排列，所述小孔的直径为80nm-120nm，相邻所述小孔的间距为130nm-170nm。
5.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述超材料结构（3）为相变材料二氧化钒。
6.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述超材料结构（3）为圆柱形，所述圆柱形的上表面与所述复合区波导（22）上表面齐平，用于形成超表面结构，当超表面结构被施加不同的温度时，其所在的复合区波导（22）的折射率随之进行突变，实现输入光传输状态的调制。
7.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述输入区波导（21）的输出端与所述复合区波导（22）的输入端相连，所述输入区波导（21）和所述复合区波导（22）的高度和宽度相等，所述输入区波导（21）用于C波段TM模待调制光的输入。
8.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒超材料结构的C波段硅基调制器，其特征在于，所述输出区波导（23）的输入端与所述复合区波导（22）的输出端相连，所述输出区波导（23）和所述复合区波导（22）的高度和宽度相等，所述输出区波导（23）用于光信号的输出。
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