[发明专利]一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器

说明书

本发明公开了一种基于ITO定向耦合器的硅电光调制器。硅电光调制器由总线波导和副线波导构成，本发明工作于偏压状态时，ITO载流子浓度增加，相应的副线波导中的模式有效折射率以及吸收系数发生改变，定向耦合器的耦合效率和衰减系数随之发生变化，总线波导与副线波导发生弱耦合甚至不耦合，光信号直接从硅波导中输入输出，此时输出端光强最大；工作于无偏压状态时，总线波导与副线波导发生强耦合，进入副线波导的光能量损耗殆尽，此时从硅波导输出端输出光强最低。本发明克服了ITO材料自身的高损耗技术问题，具有损耗低，尺寸小，功耗低等特点，满足了光通信、集成光学等领域的实际需求。

技术领域

本发明属于平面光波导集成器件，具体涉及一种基于ITO(透明导电氧化物)定向耦合器的硅电光调制器。

背景技术

近年来，雷达与电子对抗、无线通信等信息系统正朝着宽带化、集成化和小型化的方向快速发展。这些信息系统对光链路都具有严格的要求，电光调制器是光链路中的核心器件，将电信号转换为光学信号来实现电光转换，需要具有高带宽、低半波电压、低插入损耗、小体积。常用的电光调制器结构如Mach-Zehnder干涉仪(MZI)和环形谐振器结构已经在各种硅光学调制器结构中进行了深入研究，通过改变MZI两干涉臂相位差或环形谐振器的谐振条件得到输出光功率的变化。它们有效地利用了等离子体色散效应，通过改变硅中载流子浓度达到改变硅材料折射率的目的。基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的硅电光调制器为了在低电压下工作，通常的器件尺寸大且能耗高，不适合高密度集成。基于微谐振器的硅调制器，例如微环或微盘调制器，通常器件尺寸较小且易于低电压工作，然而由于谐振器的高Q因数(10^4–10^5)，光子寿命长，器件的工作带宽通常较低。例如，Q因子高于10^4将限制工作带宽与20GHz以下。此外，过大的Q系数还需要具有精确加热器来锁定工作波长，这些都不利于通信应用。同时兼具有小尺寸，大工作带宽和低功耗的新型调制器值得被探究。

光电技术的进步离不开具有独特性能的材料。最近，在混合硅调制器中使用等离子体效应和ε-近零(ENZ)效应打破了电光调制器结构尺寸/工作带宽相互制衡。材料介电常数的实部接近零时产生ENZ效应，从低损耗电介质转变为有损金属。硅光调制器使用金属氧化物半导体(MOS)型混合等离子体波导，包括掺杂硅，氧化铟锡(ITO)，掺杂镓的氧化锌，铋铁氧体，二氧化钒或石墨烯等折射率可调等离子体材料。外加电压会改变等离子体材料中的载流子密度，从而引起介电常数变化。由于在等离子体材料和相邻电介质之间的界面处存在具有高吸收特性的表面等离子体模式，该器件具有较高的光损耗，不利于实际应用。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于ITO(透明导电氧化物)定向耦合器的硅电光调制器，采用在硅波导上沉积ITO、二氧化硅、金的等离子激元波导与总线波导耦合来实现调制，通过在定向耦合器上构建ITO/氧化物/Si-MOS电容器，充分利用ITO和Si对光学介电常数的实部和虚部调制，改变定向耦合器的耦合效率和衰减系数，从而获得了调制的光信号。另外，该器件还保留了通过减小栅极氧化层(第二二氧化硅层)厚度来减小驱动电压的可行性，本发明将副线波导作为辅助波导置于总线波导外，可以显著地降低传输损耗。实现小尺寸，大带宽，低损耗，低功耗的需求。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括总线波导和副线波导，总线波导和副线波导均布置于硅衬底以及第一二氧化硅上表面；总线波导主要由输入硅波导、耦合区硅波导和输出硅波导依次连接组成，输入硅波导和耦合区硅波导通过两个依次相连的第一弯曲硅波导和第二弯曲硅波导连接，耦合区硅波导和输出硅波导通过两个依次相连的第三弯曲硅波导和第四弯曲硅波导连接；耦合区硅波导两侧波导相对于耦合区硅波导对称布置；副线波导主要由第一搭载ITO矩形波导、第一搭载ITO渐变波导、第一搭载ITO弯曲波导、耦合区等离子激元波导、第二搭载ITO弯曲波导、第二搭载ITO渐变波导、第二搭载ITO矩形波导依次连接组成，耦合区等离子激元波导两侧波导相对于耦合区等离子激元波导对称布置。