CN110109268B - 基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，包括衬底层，下包层和上覆盖层；在下包层上铺有左侧掺杂平板波导层和右侧掺杂平板波导层，左侧掺杂平板波导层上设有左侧电极和输入波导；右侧掺杂平板波导层上设有右侧电极和主干波导；采用基于ENZ‑ITO的水平MOS电容器，通过调整外加电压，调节ITO层的双载流子积聚层的浓度，达到快速相变来实现模式复用的状态转换，实现了高速开关转换，提高了光与物质互作用，为片上模式复用技术打下良好基础，进一步实现应用于模分复用网络的灵活模式路由，为实现光通信、光子***中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件，尤其涉及一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关。
背景技术
模分复用技术(Mode-division multiplexing，MDM)对于克服通信瓶颈，提高光传输网络的容量具有重要的应用前景。硅光子学具有结构紧凑、成本低廉、与CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)工艺兼容的光学器件等优点。为了构建片上MDM***，出现了各种基于硅的构建模块，包括模式复用器/解复用器、多模功率分流器、模式过滤器、多模弯曲波导/交叉波导和模式选择开关(MSS)。在这些器件中，MSS是实现可重构MDM网络的灵活模式路由和交换的基本和关键组件。
最近，一些建立硅可重构MDM网络的MSS方法已被报道，包括微环谐振腔(MRRs)，马赫-曾德尔干涉仪(MZIs)，多模干涉(MMI)耦合器，和三维波导耦合器(TWCs)：具体包括一种基于MRRs的1×2的多模开关，一种基于MMI耦合器和移相器的MSS和热光相位转换器，一种采用相变材料(PCMs)和透明导电氧化物(TCOs)，组成的基于TWC的构型。
尽管这几种方案串扰低、***损耗小、转换速度快、尺寸小，但是这些方案有的由于临界谐振条件的存在，MRRs可能会使工作带宽退化；有的由于传统的电光和对硅的影响，导致电光的尺寸较大或移相器实现本质的相变；还有的结构设计灵活性有限，可能与其他片上元件不兼容。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，通过外加栅压调节ITO双积聚层的载流子浓度，实现理想开关状态。
技术方案：一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，包括衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上设有左侧第一掺杂平板波导层，左侧第二掺杂平板波导层，右侧第一掺杂平板波导层以及右侧第二掺杂平板波导层，在所述左侧第一掺杂平板波导层和左侧第二掺杂平板波导层之间，设有输入波导，在所述右侧第一掺杂平板波导层和右侧第二掺杂平板波导层之间，设有主干波导，在所述左侧第二掺杂平板波导层和右侧第二掺杂平板波导层之间，设有中心电容器；所述左侧第一掺杂平板波导层上设有左侧电极，所述右侧第一掺杂平板波导层上设有右侧电极；
具体的，所述中心电容器包括中心电容器左侧掺杂硅层、中心电容器左侧HfO2、中心电容器左侧ITO层、中心电容器右侧HfO2层和中心电容器右侧掺杂硅层，上述各材料层沿下包层的水平方向依次连接，构成双载流子积聚层；其中，所述中心电容器左侧掺杂硅层通过左侧第二掺杂平板波导层与输入波导相连接，中心电容器右侧掺杂硅层通过右侧第二掺杂平板波导层与主干波导相连接，输入波导通过左侧第一掺杂平板波导层与左侧电极相连接，主干波导通过右侧第一掺杂平板波导层与右侧电极相连接；在所述左侧电极、右侧电极及中心电容器的左侧ITO层上加外加电压。所述下包层上覆盖有上覆盖层。
优选的，所述中心电容器左侧ITO层的构成材料为铟锡氧化物ITO、石墨烯、G2S2T5和G2S2S4T1。
更进一步的，所述主干波导中的模式为任意高阶模式。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、本发明提出了一种基于ENZ-ITO的水平MOS电容器的硅基MSS，通过引入双载流子积聚层，提高了开关效率，从而进一步提高***通信容量。2、本发明通过引进ITO层，使ITO形成水平Si/HfO2/ITO/HfO2/Si的MOS电容器结构。克服了传统的双波导等离子体器件金属基等离子体结构损耗大的问题，降低了电阻损耗和光传播损耗，提高了光与物质互作用，从而大大提高了模式开关速度，降低了开关功耗。3、本发明通过在水平MOS电容器上施加电压偏置，控制ITO的双载流子积聚层浓度或石墨烯、G2S2T5和G2S2S4T1相变晶态，达到快速相变，进而实现了模分复用的开关选择。4、本发明具有在不同通道里选择和路由不同信号的能力，开关转换速度快、内存小、功耗小、尺寸小，实现了不同模式之间的转换。5、本发明基于现有成熟的CMOS工艺制备，操作成本低，可实现批量化制造，生产效率较高，存在竞争性的优势。6、本发明可与现有多种复用技术(WDM、PDM等)兼容使用，拓宽了其应用范围及带宽容量，兼容性高，应用范围广。
附图说明
图1是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关示意图；
图2是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关波导截面示意图；
图3是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关的超模TM-A场分布图；
图4是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关的超模TM-B场分布图；
图5是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关的超模TM-C场分布图；
图6是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关工作在积聚层的厚度为10nm，各波导之间间距是200nm时，沿z方向的传播场图，开关在“开”的状态；
图7是一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关在积聚层的厚度为10nm，各波导之间间距是200nm时，沿z方向的传播场图，开关在“关”的状态；
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，包括衬底层1，在衬底层上设有下包层2，下包层2上覆盖有上覆盖层。
具体的，在下包层2上从左至右依次铺有左侧第一掺杂平板波导层13、输入波导3、左侧第二掺杂平板波导层15、中心电容器、右侧第二掺杂平板波导层16、主干波导9、右侧第一掺杂平板波导层14，在左侧第一掺杂平板波导层13上设有左侧电极11，在右侧第一掺杂平板波导层14上设有右侧电极12。输入波导3通过左侧第一掺杂平板波导层13与左侧电极11相连接，主干波导9通过右侧第一掺杂平板波导层14与右侧电极12相连接。
其中，中心电容器包括中心电容器左侧掺杂硅层4、中心电容器左侧HfO25、中心电容器左侧ITO层6、中心电容器右侧HfO2层7和中心电容器右侧掺杂硅层8，其中，中心电容器左侧掺杂硅层4通过左侧第二掺杂平板波导层15与输入波导3相连接，中心电容器右侧掺杂硅层8通过右侧第二掺杂平板波导层16与主干波导9相连接。中心电容器左侧ITO层的构成材料为铟锡氧化物ITO、石墨烯、G2S2T5和G2S2S4T1。
在左侧电极11、右侧电极12及中心电容器的左侧ITO层6上加外加电压。
本发明的硅基模式选择开关，包括两个硅外波导和一个包含相变材料的中心水平MOS(metal-oxide-semiconductor)电容，通过采用水平硅/HfO2/ITO/HfO2/硅的MOS电容器，双载流子积聚层方案提供了快速相变和高效的开关转换速率。通过外加栅压调节铟锡氧化物双积聚层的载流子浓度，实现理想开关状态。通过使用全矢量有限元法，对基于中心MOS电容的三波导耦合器的MOS模的“开”“关”状态进行了优化。
模式选择开关工作原理如下：(1)在“关”的状态下，在不施加栅压的情况下，可以满足三维波导和三维波导耦合器(TWC)之间的相位匹配条件。输入的准TE0模式可以复用到主干波导的准TE1模式。(2)在“开”的状态下，在ITO层上加负的栅压，由于ENZ效应，中心MOS型模的指数变化较大，相匹配条件将被破坏。输入准TE0模式将切换回输入波导并在输入波导的输出端口输出。
下面结合实施例对本发明的技术方案和有益效果做进一步具体的说明。
图6、图7所示的一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，属于特定情况分析实例，计算了在积聚层的厚度为10nm，各波导之间的间距是200nm，串扰为-19.21dB，消失率为17.8dB，***损耗为-1.4dB时为参数的优化设计的传播场。
图3-图5是基于三波导耦合器的硅基模式选择开关的超模场分布图；在输入波导为400nm，主线波导为860nm，ITO的宽度为50nm，HfO2的宽度为10nm，硅的宽度为307.5nm，各波导及电容器的厚度为220nm，厚片的厚度为30nm，且各波导两两之间的间隔为200nm时的超模场分布，图3代表z域的TM-A超模，图4代表z域的TM-B超模，图5代表z域的TM-C超模。
Claims (2)
1.一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，其特征在于：包括衬底层（1），在衬底层上设有下包层（2），在下包层（2）上设有左侧第一掺杂平板波导层（13），左侧第二掺杂平板波导层（15），右侧第一掺杂平板波导层（14）以及右侧第二掺杂平板波导层（16），在所述左侧第一掺杂平板波导层（13）和左侧第二掺杂平板波导层（15）之间，设有输入波导（3），在所述右侧第一掺杂平板波导层（14）和右侧第二掺杂平板波导层（16）之间，设有主干波导（9），在所述左侧第二掺杂平板波导层（15）和右侧第二掺杂平板波导层（16）之间，设有中心电容器；所述左侧第一掺杂平板波导层（13）上设有左侧电极（11），所述右侧第一掺杂平板波导层（14）上设有右侧电极（12）；所述输入波导（3）通过左侧第一掺杂平板波导层（13）与左侧电极（11）相连接，所述主干波导（9）通过右侧第一掺杂平板波导层（14）与右侧电极（12）相连接；在所述左侧电极（11）、右侧电极（12）及中心电容器上加外加电压；所述下包层（2）上覆盖有上覆盖层（10），所述中心电容器包括中心电容器左侧掺杂硅层（4）、中心电容器左侧HfO2（5）、中心电容器左侧ITO层（6）、中心电容器右侧HfO2层（7）和中心电容器右侧掺杂硅层（8），上述各材料层沿下包层（2）的水平方向依次连接，构成双载流子积聚层；其中，所述中心电容器左侧掺杂硅层（4）通过左侧第二掺杂平板波导层（15）与输入波导（3）相连接，中心电容器右侧掺杂硅层（8）通过右侧第二掺杂平板波导层（16）与主干波导（9）相连接；在所述左侧电极（11）、右侧电极（12）及中心电容器的左侧ITO层（6）上加外加电压，所述中心电容器左侧ITO层（6）的构成材料为铟锡氧化物ITO、石墨烯、G2S2T5和G2S2S4T1。
2.根据权利要求1所述的基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，其特征在于：所述主干波导（9）中的模式为任意高阶模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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