[發(fā)明專利]一種基于相變材料的電光調(diào)制器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711453218.2
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108279511A
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐培鵬;于增輝;宋以鵬;呂業(yè)剛;張巍;吳越豪
• 申請（專利權(quán)）人: 寧波大學
• 主分類號: G02F1/00
• 分類號: G02F1/00;G02F1/01
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務(wù)所(普通合伙) 33226
• 代理人: 何仲

本發(fā)明公開了一種基于相變材料的電光調(diào)制器，包括SOI基片，特點是SOI基片上沿水平方向設(shè)置有依次相接的輸入波導(dǎo)、混合波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，所述的混合波導(dǎo)從下到上依次由硅波導(dǎo)層、相變材料GST層和銅電極層疊加而成，SOI基片包括一層厚度為250nm的硅襯底和一層厚度為2um的二氧化硅層，輸入波導(dǎo)的厚度和輸出波導(dǎo)的厚度均為250nm、寬度均為400nm，混合波導(dǎo)的厚度為290nm，寬度為400nm，硅波導(dǎo)層一側(cè)通過選擇性刻蝕形成厚度為10nm的硅薄膜，優(yōu)點是具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、較寬的工作帶寬、較高的調(diào)制深度以及較低的插入損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電光調(diào)制器，尤其是涉及一種基于相變材料的電光調(diào)制器。

背景技術(shù)

隨著人們對信息處理速度，數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)存儲容量等要求的不斷提高，信息網(wǎng)絡(luò)以爆炸性的速度增長。為了滿足大容量、超高速的信息互聯(lián)互通需求，往往需要性能優(yōu)越的電光信號處理器件。電光調(diào)制器作為光通信傳輸中實現(xiàn)信息在電信號與光信號之間轉(zhuǎn)換的核心器件，其具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，引起了科研人員的極大興趣。現(xiàn)有的硅基電光調(diào)制器利用高摻雜硅的等離子色散效應(yīng)或者石墨烯的費米能級調(diào)控來實現(xiàn)對信號光的調(diào)制，然而在調(diào)制過程中需要持續(xù)的能量輸入才能保持調(diào)制狀態(tài)，在這個過程中，伴隨著較大的能量消耗，不利于低功耗器件的實現(xiàn)。

自從GST (Ge₂Sb₂Te₅)相變材料被發(fā)現(xiàn)以來，在電子、物理、材料等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在光存儲領(lǐng)域獲得了非常成功的商業(yè)化應(yīng)用。相變材料GST具有優(yōu)良的光學特性和電學特性。在晶態(tài)和非晶態(tài)特性差異巨大、納秒級的相態(tài)轉(zhuǎn)變速度以及不需要額外能量供給即可保持相態(tài)穩(wěn)定，這些優(yōu)點使得相變材料GST成為新型電光調(diào)制器的理想候選材料。但是，目前國內(nèi)外還沒有公開任何關(guān)于基于相變材料的電光調(diào)制器的相關(guān)研究報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、較寬的工作帶寬、較高的調(diào)制深度以及較低的插入損耗的基于相變材料的電光調(diào)制器。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于相變材料的電光調(diào)制器，包括SOI基片，所述的SOI基片上沿水平方向設(shè)置有依次相接的輸入波導(dǎo)、混合波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，所述的混合波導(dǎo)從下到上依次由硅波導(dǎo)層、相變材料GST層和銅電極層疊加而成。

所述的SOI基片包括一層厚度為250nm的硅襯底和一層厚度為2um的二氧化硅層，所述的二氧化硅層設(shè)置在所述的硅襯底上表面，所述的輸入波導(dǎo)、所述的硅波導(dǎo)層和所述的輸出波導(dǎo)設(shè)置在所述的二氧化硅層的上表面。

所述的輸入波導(dǎo)的厚度和所述的輸出波導(dǎo)的厚度均為 250nm、寬度均為 400nm。

所述的混合波導(dǎo)的厚度為 290nm，寬度為 400nm，其中上層所述的銅電極層的厚度為10nm，中間所述的相變材料GST層的厚度為 30nm，底層所述的硅波導(dǎo)的厚度為250nm。

所述的硅波導(dǎo)層一側(cè)通過選擇性刻蝕形成厚度為10nm的硅薄膜，所述的硅薄膜在與所述的硅波導(dǎo)層經(jīng)過N型摻雜后作為電極接地。

所述的電光調(diào)制器的總長度為0.5um。

基于相變材料的新型電光調(diào)制器工作原理：利用了相變材料GST在非晶態(tài)、晶態(tài)下具有差異較大的折射率和光吸收系數(shù)。當GST為非晶態(tài)時，其折射率和吸收系數(shù)較小。混合波導(dǎo)與光信號互相作用小，混合波導(dǎo)像介質(zhì)波導(dǎo)，光信號損耗極低。其中，大部分的光信號分布在底層硅波導(dǎo)中，僅有些許光信號分布于GST層。因此，大部分的輸入光信號可以平穩(wěn)的通過混合波導(dǎo)到達輸出波導(dǎo)。當GST從非晶態(tài)轉(zhuǎn)換為晶態(tài)時，折射率和吸收系數(shù)急劇增大，光信號分布在GST層中增多，混合波導(dǎo)與光信號的互相作用大大加強，光信號損耗大幅度增加。所以輸入波導(dǎo)中的光信號僅有少部分通過混合波導(dǎo)到達輸出波導(dǎo)。因此，通過在混合波導(dǎo)兩端的電極施加適當?shù)碾娒}沖信號實現(xiàn)GST在晶態(tài)、非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電信號到光信號的調(diào)制。