一种基于Si‑VO2复合波导的电光调制器

摘要

本发明公开一种基于Si‑VO2复合波导的电光调制器，其结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅下包层、脊形波导、二氧化硅上包层、金属电极层。其中脊形波导刻有狭槽，在凸条中填充有二氧化钒形成Si‑VO2复合波导，在两侧的平板中填充有二氧化硅用作绝缘。狭槽两侧的P型和N型轻掺杂区构成了PN结，金属电极与平板两侧重掺杂区相连。本发明的基本原理是利用二氧化钒在电场作用下发生相变引起折射率的变化，从而实现调制。该电光调制器结构简单、调制消光比高、插入损耗低，同时利用倾斜的二氧化钒狭槽结构可以增加作用长度同时有效减弱反射光强度，在光通信及集成光电子领域中具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及硅基集成光电子学中的电光调制技术，特别是一种基于Si-VO2复合波导的电光调制器。

背景技术

硅基光电子器件凭借其低功耗、低成本、微型化、与传统微电子加工工艺兼容等优势，成为未来光通信技术发展中不可或缺的一部分。作为光传输网络中电光转换的关键器件之一，调制器一直以来都是研究者们关注的热点，其性能的好坏将直接影响整个光通信系统的优劣。

通常情况下，硅基集成光电子器件通过热光效应或者载流子色散效应来改变硅材料的折射率特性，从而实现有源调节。但热光效应速度相对比较慢，通常在微秒量级；载流子色散效应虽然响应时间快，但其折射率的调节范围有限，通常折射率的改变在10-3量级，因此为了实现180度相位的变化，器件的长度需要在毫米量级，导致高速调制器和光开关器件通常尺寸很大。因此需要寻找一种可以实现高速大幅度调节折射率的材料，与硅混合集成来实现电光调制器，从而进一步减小硅基调制器的尺寸和功耗。

自从1959年具有相变特性的钒氧化物被发现以来，许多国家都对其制备方法进行了深入的研究和探索。通过改善制备方法和调整工艺参数，制备的二氧化钒薄膜的性能越来越优异。二氧化钒作为一种相变材料，在热光电诱导下可实现介质态到金属态间的相变，折射率的变化比硅材料提高了三个数量级，因而在实现光电子器件方面特别有吸引力。最近研究人员也通过实验发现这种相变中存在着快速转变机理，在外加电场诱导下皮秒时间尺度内就可实现相变，因而非常适合制作高速调制器，是未来电光调制器非常有潜力的一种新材料。

基于二氧化钒相变机理，可将二氧化钒材料和硅波导结合起来形成复合波导，用于制作硅基电光调制器，利用其快速相变和折射率大幅变化的特性，可以实现一种高速超小型宽带电光调制器。

发明内容

本发明是基于现有的光子学理论和成熟的制备工艺基础，针对上述问题和现有技术的不足，提出一种基于Si-VO2复合波导的电光调制器，该硅基电光调制器的硅波导中具有一条填充二氧化钒的倾斜狭槽，在外加电场作用下二氧化钒不仅能快速发生相变实现调制，而且倾斜狭槽结构可以增加光与二氧化钒的作用长度同时减弱光的反射。该调制器结构简单、调制消光比高、插入损耗低，在光通信及集成光电子领域具有广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于硅-二氧化钒复合波导的电光调制器，包括从下到上依次连接的硅衬底、二氧化硅下包层、脊形波导层、二氧化硅上包层和金属电极层；所述脊形波导层由中间凸起的凸条区和两侧低平的平板区组成，在该脊形波导层的上表面刻有贯穿波导的狭槽，且该狭槽与所述波导纵向的夹角为5°～90°，所述凸条区的凸条狭槽中填充有二氧化钒，所述平板区的平板狭槽中填充有二氧化硅，在所述凸条区的凸条狭槽的两侧分别形成N型轻掺杂区和P型轻掺杂区，在所述平板区的平板狭槽的两侧分别形成N型重掺杂区和P型重掺杂区，且所述N型轻掺杂区与所述N型重掺杂区在狭槽的同侧，所述P型轻掺杂区与P型重掺杂区在狭槽的同侧；所述金属电极层由相互不连通的两部分组成，一部分经二氧化硅上包层的通孔与N型重掺杂区连通，另一部分经二氧化硅上包层的通孔与P型重掺杂区连通，形成欧姆接触，调制工作时连接微波信号。

优选的，所述脊形波导层由硅材料构成，所述凸条高于所述平板区。

优选的，所述平板区的高度为20nm～200nm，所述凸条区的高度为200nm～500nm，所述凸条区的宽度为300nm～700nm。

优选的，所述狭槽的宽度为10nm～300nm，深度为200nm～500nm，所述狭槽的深度与脊形波导凸条区的高度相等。

优选的，重掺杂区的极性与所述轻掺杂区的极性相同，所述N型轻掺杂区和P型轻掺杂区的掺杂浓度均低于1×10¹⁸cm^-3，所述N型重掺杂区和P型重掺杂区的掺杂浓度均高于1×10¹⁹cm^-3。

优选的，所述N型重掺杂区和P型重掺杂区与所述凸条区两边界的间距均大于0.2μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用二氧化钒相变材料，器件尺寸小、调制速度快、消光比高、损耗低。

2)将二氧化钒设计成倾斜形状，增加了光与二氧化钒作用长度，同时也有效减小了光的反射。

3)结构简单，易设计和制备，成本低。

附图说明

图1为本发明基于Si-VO₂复合波导的电光调制器的一个实施例的结构示意图

图2为本发明基于Si-VO₂复合波导的电光调制器的内部电场仿真示意图，其中，a为当二氧化钒为半导体态时光在波导内的传输能量分布俯视图(xz平面)，b为当二氧化钒为金属态时光在波导内的传输能量分布俯视图(xz平面)，c为当二氧化钒为半导体态时光在波导内的传输能量分布侧面图(yz平面)，d为当二氧化钒为金属态时光在波导内的传输能量分布侧面图(yz平面)。

图3为本发明基于Si-VO₂复合波导的电光调制器通过改变二氧化钒宽度和倾斜角度得到的仿真结果曲线，其中，a为不同狭槽宽度下调制器消光比和狭槽倾斜角之间的关系，b为不同狭槽宽度下调制器插入损耗和狭槽倾斜角之间的关系，c为不同狭槽宽度下调制器品质因素(消光比与插入损耗比值)和狭槽倾斜角之间的关系，d为不同狭槽宽度下调制器反射光强度和狭槽倾斜角之间的关系，e为当二氧化钒为半导体态时不同狭槽宽度下调制器反射光强度和狭槽倾斜角之间的关系。

图4为本发明基于Si-VO₂复合波导的电光调制器在不同入射光波长下消光比和插入损耗的曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明基于Si-VO2复合波导的电光调制器的一个实施例的结构示意图，包括：自下而上分别为：硅衬底1、二氧化硅下包层2、脊形波导层3、二氧化硅上包层10、金属通孔11、金属电极层12。

其中，二氧化硅下包层2厚度为2μm，脊形波导层3平板部高度H₁为60nm、脊形波导3凸条高度H₂为160nm、凸条宽度W₁为500nm，脊形波导平板宽度W₂为5μm。

所述n型轻掺杂区域8在狭槽的同侧为n型重掺杂区域6，与波导边缘距离0.35μm，与所述p型轻掺区域9在狭槽的同侧的为p型重掺杂区域7，与波导边缘距离为0.35μm。

所述填有二氧化硅的狭槽4与填有二氧化钒的狭槽5的宽度均为50nm。

n型和p型轻掺杂区浓度均为1×10¹⁸cm^-3，n型和p型重掺杂区浓度为1×10²⁰cm^-3。

本发明工作机理为，在外加电场作用下，二氧化钒发生了非金属态到金属态的可逆相变，由于金属态折射率虚部很大，所以金属态时大部分光被吸收，使得输出部分的能量显著减小，实现了输出光强度的调制，其中器件内部光电场分布如图2所示。

仿真结果如图3所示，分别为不同宽度二氧化钒调制器的消光比、插入损耗、FoM(定义FoM为消光比ER与插入损耗IL的比值)、金属态和非金属态下反射强度随倾斜角变化的曲线。图3(a)表示消光比ER大致与狭槽倾斜角度成反比、与二氧化钒宽度成正比，但是在20°的时候存在极值点。图3(b)表示插入损耗IL与狭槽倾斜角度成反比，与二氧化钒宽度成正比。为了得到更大的消光比和更小的插入损耗，我们定义了FoM，结果如图3(c)所示，其中角度20°、宽度50nm为最优解，此时器件消光比为8.7dB，插入损耗仅有1.9dB。同时从图3(d)、(e)仿真结果可知在金属和非金属状态下，基本都是角度越倾斜反射能量越低，从而证明了本发明显著减弱了光能量的反射。

从图4可知，消光比在波长为1497nm时达到最大值，在100nm的范围内消光比都能维持一个较高的水平且插入损耗也比较低，说明本发明可以很好地工作在光通信波段。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。