CN111367097A - 一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器 - Google Patents

一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，包括二硫化钼薄膜、波导结构以及两个金属电极，其特征在于二硫化钼薄膜覆盖于波导结构的上表面，两个金属电极分别覆盖在波导两侧的二硫化钼薄膜上。当在两个金属电极上施加电压时，二硫化钼薄膜中会产生焦耳热，所产生的热量会通过热传导传递到波导中使得波导温度升高；根据热光效应，波导的折射率会因为温度的变化而发生变化；波导折射率的变化会导致波导中传输的信号光的相位发生移动。本发明有益于形成一种制备工艺简单、尺寸小且能耗低的光学相移器，有望在光开关和滤波器等领域得到应用。

Description

一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器。
背景技术
光学相移器在光子集成回路中具有重要作用，例如在光开关、滤波器以及光学相控阵等光学***中，都需要利用相移器对传输光信号的相位进行调节。特别地，与片上波导结构集成的相移器，由于具有速率快、尺寸小、功耗低以及与CMOS工艺兼容等优点，得到了各界的广泛关注。目前已有多种基于波导结构的相移器被提出和报道。例如，利用微型驱动器对悬空的波导进行拉伸，通过改变悬空波导和输入输出波导的相对位置便可实现光程差的调节，从而实现相移的功能。但是这种相移器需要对波导进行悬空处理并将其和驱动部件进行连接，制备工艺较为复杂。此外，基于硅的自由载流子色散效应，采用金属-氧化物-半导体电容器结构可以改变硅波导的折射率，从而实现相位的调节。但是自由载流子色散效应也会改变折射率虚部，因此不可避免会引入较大的损耗。此外，这种相移器的制备工艺也比较复杂。另一种基于波导结构的相移器是基于波导材料本身的光学效应，通过改变材料的所处环境的温度来改变其折射率，以实现波导中传输光信号的相位变化。这种利用材料光学效应的相移器通过在波导上方集成金属电极来产生热量，因此需要在金属电极和波导间***一层二氧化硅隔离层来隔绝金属对波导中传输光信号的吸收。由于二氧化硅的热导率很低，因此会限制光学相移器的效率和速度。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，克服现有基于波导结构的光学相移器在制备工艺复杂、效率低等方面的缺点
技术方案
一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于包括二硫化钼薄膜1、波导结构以及两个金属电极；二硫化钼薄膜1覆盖于波导结构的上表面，宽度大于波导结构中的条形结构；第一金属电极4和第二金属电极5分别覆盖于波导两侧的二硫化钼薄膜1上。
所述波导结构采用条形波导2、脊形波导6或两根条形波导组成的狭缝波导7；所述脊形波导6为一个平面波导上设有一个条形波导。
所述二硫化钼薄膜以其它电子带隙大于0.9eV的二维半导体层状材料取代。
所述波导结构的材料包括但不限于硅或氮化硅。
所述金属电极包括金电极或银电极。
所述二硫化钼薄膜利用微机械剥离法从二硫化钼块体材料上进行剥离得到，或利用化学气相沉积法生长得到。
所述金属电极分别沉积到波导两侧的二硫化钼薄膜表面。
有益效果
本发明提出的一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，包括二硫化钼薄膜、波导结构以及两个金属电极，其特征在于二硫化钼薄膜覆盖于波导结构的上表面，两个金属电极分别覆盖在波导两侧的二硫化钼薄膜上。当在两个金属电极上施加电压时，二硫化钼薄膜中会产生焦耳热，所产生的热量会通过热传导传递到波导中使得波导温度升高；根据热光效应，波导的折射率会因为温度的变化而发生变化；波导折射率的变化会导致波导中传输的信号光的相位发生移动。本发明有益于形成一种制备工艺简单、尺寸小且能耗低的光学相移器，有望在光开关和滤波器等领域得到应用。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、二硫化钼的带隙介于1.2eV～1.8eV之间，因此对于通讯波段的光信号无吸收，因此二硫化钼与波导直接集成不会引入额外的吸收损耗。另外，二硫化钼的热导率较高，可以使得产生的热量快速传递。本发明所述二硫化钼辅助的光学相移器将二硫化钼作为加热材料，直接与波导接触，无需隔离层。通过控制施加在金属电极上直流偏压大小来改变二硫化钼中产生的热量大小，进而改变波导的温度，实现波导中传输信号光的相位改变，有益于形成一种低功耗、高效率的光学相移器；
2、二硫化钼具有二维层状结构和很好的柔软性，易于与波导结构相集成。本发明所述二硫化钼辅助的光学相移器仅需将二硫化钼薄转移至波导结构上，再沉积金属电极，无需制备复杂的电光调制结构，也不需要对波导材料进行掺杂，在普通的波导中即可实现，有益于简化器件制备工艺并降低成本，同时所形成的相移器具有结构紧凑、稳定性高等优点。
3、本发明所述二硫化钼辅助的光学相移器利用了二硫化钼的电阻热效应和波导材料的光学效应，其中，基于氮化硅波导的所述二硫化钼辅助的光学相移器上，相位变化的响应时间仅为100微秒左右，具有较快的响应速度。
附图说明
图1为本发明中基于条形波导结构的二硫化钼辅助的光学相移器结构示意图；
图2为本发明中基于条形波导结构的二硫化钼辅助的光学相移器横截面图；
图3为本发明中基于脊形波导结构的二硫化钼辅助的光学相移器结构示意图；
图4为本发明中基于脊形波导结构的二硫化钼辅助的光学相移器横截面图；
图5为本发明中基于狭缝波导结构的二硫化钼辅助的光学相移器示意图；
图6为本发明中基于狭缝波导结构的二硫化钼辅助的光学相移器横截面图；
图7为利用本发明的器件实施光学相移的示意图；
图8为用于测试二硫化钼辅助的光学相移所产生相移效果的装置示意图；
图9为用于测试二硫化钼辅助的光学相移所产生相移的响应速度的装置示意图；
图10为根据图1中器件示意图制备的二硫化钼覆盖于氮化硅条形波导上形成的光学相移器所产生相移的实验测量结果；
图11为根据图1中器件示意图制备的二硫化钼覆盖于氮化硅条形波导上形成的光学相移器所产生相移的响应速度测量结果。
图中:1.二硫化钼薄膜；2.条形波导；3.衬底；4.金属电极1；5.金属电极2；6.脊形波导；7.狭缝波导；8.信号光源；9.二硫化钼辅助的光学相移器；10.源表；11.3dB分束器；12.耦合器；13.光功率计；14.信号发生器；15.光电探测器；16.示波器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
二硫化钼辅助的光学相移器，其特征包括二硫化钼薄膜、波导结构以及两个用于给二硫化钼薄膜施加直流偏压的金属电极；二硫化钼薄膜通过覆盖的方式集成于所述波导表面；也可以通过干法转移技术转移至波导结构上；参见图1和图2所示，
当波导结构是条形波导2时，二硫化钼薄膜直接覆盖到条形波导2的上表面；参见图3和图4所示。
当波导结构是脊形波导6，即一个平面波导上设有一个条形波导的脊形波导结构。二硫化钼薄膜1覆盖于脊形波导6的上表面；参见图5和图6所示，
当波导结构是两根条形波导组成的狭缝波导7，二硫化钼薄膜1覆盖于狭缝波导7的上表面。
波导的材料可以是硅，也可以是氮化硅；所述金属电极可以是金电极，也可以是银电极；所述二硫化钼薄膜可以时是利用微机械剥离法从二硫化钼块体材料上进行剥离得到的，也可以是利用化学气相沉积法生长得到的；所述二硫化钼薄膜被转移至所述波导上表面，所述金属电极分别沉积到波导两侧的二硫化钼薄膜表面形成二硫化钼辅助的光学相移器；所述二硫化钼薄膜可以转移至所述条形波导上表面，也可以转移至脊形波导上表面，也可以转移至狭缝波导上表面。
本发明所采用的工作原理，其特征在于如下：
二硫化钼辅助的光学相移器的信号光通过端面耦合或垂直耦合的方式进入由所述二硫化钼薄膜覆盖的波导结构中，所述两个金属电极分别覆盖在波导两侧的所述二硫化钼薄膜上；在所述金属电极上施加电压时，所述二硫化钼薄膜上会产生焦耳热；所述二硫化钼薄膜中产生的焦耳热会通过热传导传递到所述的波导结构中；所述波导结构吸收热量后发生温度升高；所述波导结构由于温度的变化而发生光热效应，即波导材料的折射率会发生变化；所述信号光在发生折射率变化的所述波导结构中传输后，其光学相位将发生移动，即形成相移器。
参见图7，所述二硫化钼辅助的光学相移器的工作方式为：信号光源8发出的信号光进入所述二硫化钼辅助的光学相移器9；所述源表10在所述二硫化钼辅助的光学相移器9的所述两个金属电极4、5上施加直流偏压；所述二硫化钼薄膜1由于电阻的热效应会产生焦耳热；所述二硫化钼薄膜1中产生的焦耳热会传递到所述波导结构中，使得所述波导结构的温度升高；所述波导结构因为温度变化而折射率也发生变化；所述信号光在发生折射率变化的所述波导传输后，将发生相位移动。
参见图8，为检测所述二硫化钼辅助的光学相移器的相移效果，将所述二硫化钼辅助的光学相移器9***到马赫-曾德干涉仪结构的其中一臂中，并经3dB分束器11将所述信号光源8输出的信号光分别引入所述二硫化钼辅助的光学相移器9和没有二硫化钼覆盖的波导结构中，再经耦合器12耦合进入光功率计13中，以测量输出光信号的强度大小；利用源表10来对所述二硫化钼辅助的光学相移器9施加直流偏压，不同的偏压对应不同的加热功率，通过光功率计测量不同加热功率下输出光功率的变化，便可得到相移器产生的相位变化。
参见图9，为检测所述二硫化钼辅助的光学相移器的响应速度，利用信号发生器14在所述二硫化钼辅助的光学相移器7上施加方波电压信号，经耦合器12输出的光信号经由光电探测器15转变为电信号，再进入示波器16，根据示波器中显示的波形，便可测得所述相移器的响应速度。
通过在宽度为1.08微米、高度为300纳米的氮化硅波导上覆盖长度为100微米的二硫化钼薄膜，制备了图1和图2所示的二硫化钼辅助的光学相移器。利用图8所示的测量装置，对所制备光学相移器，在信号光波长为1550纳米的情况下，测量了不同加热功率下信号光受到的相位移动。参见图10，当加热功率为31毫瓦时，在所制备的光学相移器上得到了π的相位移动，相位变化效率高达0.032π/毫瓦，表现出高效率和低功耗。参见图9，将施加的电压信号改为由信号发生器输出的频率为1.5kHz的方波信号，测量所制备的光学相移器上相位变化随电压信号的响应速度。参见图11，在所施加的电压信号开和关的过程中，相位变化上升至最大值的90％时所需要的时间为124微秒，相位变化下降至最大值的10％时所需要的时间为123微秒，说明本发明的光学相移器具有较快的响应速度。

Claims (7)

1.一种二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于包括二硫化钼薄膜(1)、波导结构以及两个金属电极；二硫化钼薄膜(1)覆盖于波导结构的上表面，宽度大于波导结构中的条形结构；第一金属电极(4)和第二金属电极(5)分别覆盖于波导两侧的二硫化钼薄膜(1)上。
2.根据权利要求1所述二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于：所述波导结构采用条形波导(2)、脊形波导(6)或两根条形波导组成的狭缝波导(7)；所述脊形波导(6)为一个平面波导上设有一个条形波导。
3.根据权利要求1或2所述二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于：所述二硫化钼薄膜以其它电子带隙大于0.9eV的二维半导体层状材料取代。
4.根据权利要求1或2所述二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于：所述波导结构的材料包括但不限于硅或氮化硅。
5.根据权利要求1或2所述二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于：所述金属电极包括金电极或银电极。
6.根据权利要求1所述二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于：所述二硫化钼薄膜利用微机械剥离法从二硫化钼块体材料上进行剥离得到，或利用化学气相沉积法生长得到。
7.根据权利要求1所述二硫化钼薄膜辅助的光学相移器，其特征在于：所述金属电极分别沉积到波导两侧的二硫化钼薄膜表面。
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