[发明专利]基于二维层状材料薄膜的芯片集成电光信号转换方法

说明书

本发明公开了一种基于二维层状材料薄膜的芯片集成电光信号转换方法，将二维层状材料薄膜覆于芯片集成波导表面，将调制电压加载于二维层状材料薄膜上，通过改变自由载流子浓度调节芯片集成波导折射率实现对传输光场的电光相位调制，亦即实现电学信号向光学信号的高效转换；另一方面，传输光场会引起二维层状材料薄膜自由载流子浓度改变，通过探测电导率可实现光学信号向电学信号的高效转换。本发明通过薄膜结构避免了调制电压过高造成的波导击穿，制备工艺简单、转换速度较高，可为芯片集成光电系统特别是微波光子系统奠定坚实技术基础。

技术领域

本发明属于集成光学、半导体物理与微波光子学的交叉学科领域，具体是指通过二维层状材料薄膜在外接电压作用下产生的自由载流子浓度变化调节芯片集成波导折射率和通过二维层状材料薄膜在光场作用下产生的自由载流子浓度变化调节薄膜电导率的电学信号-光学信号互转换方法，尤其涉及一种基于二维层状材料薄膜的芯片集成电光信号转换方法、系统及存储介质。

背景技术

芯片集成光路具有体积小、功耗低、性能稳定、高度集成等优点，特别适合作为传统分立器件自由空间光路和全光纤光路的替代方案，构建光通信系统、光计算系统、光学相控阵、微波光子信号处理系统等系统规模庞大、结构功能复杂、器件数量众多的光学系统。特殊地，以绝缘体上硅为代表的芯片集成光路高度兼容于传统集成电路工艺，这一特性使得构建芯片级光电混合系统成为可能。芯片集成光电系统由一系列无源器件和有源器件组成：无源器件主要包括光电定向耦合器、光学分束器、偏振分束器、波分复用器等，有源器件主要包括光源、探测器、光学调制器、可调谐滤波器、可调谐衰减器等；无源器件主要涉及光场传输，有源器件则为光场控制提供外置接口。

光学调制器作为一种重要的有源器件，在全光信号编解码、光学干涉、光学开关等应用中发挥重要作用。特别地，通过电光调制器实现的电光信号转换，是微波光子系统中联通电学域和光学域的重要桥梁。芯片集成电光调制器分为两类，一类基于铌酸锂波导平台，通过光学非线性效应实现电光调制，另一类基于P-I-N结构半导体波导平台，通过自由载流子致折射率变化实现调制。基于半导体波导平台的电光调制器制备工艺更成熟，但P-I-N结构需要单独的离子注入工艺且在较高调制电压下易被击穿。

发明内容

基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何将二维层状材料薄膜覆于传输波导表面，并生长外接电极；将调制电压加载于二维层状材料薄膜上，通过改变自由载流子浓度调节芯片集成波导折射率实现对传输光场的电光相位调制，亦即实现电学信号向光学信号的高效转换；通过外接电极测量二维层状材料薄膜电导率变化，即可探测传输光场强度变化，实现光学信号向电学信号的高效转换。

为了达到上述效果，本发明提供的基于二维层状材料薄膜的芯片集成电光信号转换方法，包括以下步骤：

步骤一、电学信号向光学信号转换，将电学信号通过外接电极加载于二维层状材料薄膜上，通过改变自由载流子浓度调节芯片集成波导折射率并实现对传输光场的电光相位调制，传输光场的相位或强度将复刻电学信号；

步骤二、光学信号向电学信号的转换，传输光场驱动二维层状材料薄膜光电效应并改变自由载流子浓度，薄膜电导率变化可由外接电极测量，复刻传输光场携带的光学信号。

优选的，方法具体包括：

S101、制备电光调制器所需传输波导，优化设计横截面结构使传输损耗较低且波导折射率灵敏变化，优化设计波导长度以兼顾低传输损耗和大调制深度，优化设计波导空间排布使二维层状材料薄膜尽可能精准覆盖；

S102、将二维层状材料薄膜无损转移至波导表面，优化设计薄膜厚度使单位电压、单位光场强度产生的自由载流子浓度最大、耗散时间最短；

S103、电学信号按照外接电压、自由载流子浓度、波导折射率、传输光场相位、其它光学自由度的顺序转换为光学信号，光学信号按照倏逝光场、光生自由载流子、电导率的顺序转换为电学信号。