CN114637132A - 一种用于片上网络互连的电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于片上网络互连的电光调制器，由二氧化硅衬底、输入波导、输出波导、表面等离子调制体和隔离层组成。光信号从输入波导入射，由于输入波导上有可以使光信号发生转换的带有ITO材料的表面等离子调制体，通过ITO材料的物理特性，在其表面等离子调制体的第一金属电极层和第二金属电极层两端加电压，导致ITO材料活性的变化，使得光信号离开输入波导，耦合到紧挨着的输出波导。本发明将表面等离子激元和活性材料ITO引入到电光调制器中，减小了电光调制器的尺寸，提高了消光比和调制速率并且减少通信延迟。
Description
技术领域
本发明涉及电光调制器技术领域，具体涉及一种用于片上网络互连的电光调制器。
背景技术
ORNoC(Optical Ring Network-on-Chi，环形光片上网络)数据通信应用中最重要的组成部分之一是电光调制器，其作为电子平台和光子平台之间的连接桥梁，将电信号转换为光数据流。传统的硅基电光调制器利用电光(Electro-optic，EO)材料制成，这些材料在外加电场时会引起自由载流子浓度的变化，材料的折射率也会因此而发生变化。在调整施加的门控电位时，传统调制器材料在经历巨大的光学损耗后可以达到接近零状态，光信号被限制在调制器波导内，受到很高的损耗。另外传统电光调制器的器件尺寸较大，达到上百微米，占用了较大的片上空间，特别是当前比较流行的基于微环谐振器的调制器等除了器件尺寸大之外受温度影响严重，这也大大降低了调制器的稳定性。调制速率是决定调制器性能的一个重要指标，当前传统光电调制器的调制速率通常仅为几十GHz，调制速率相对较低。因此传统的硅基电光调制器有很大的局限。
发明内容
本发明所要解决的是现有硅基电光调制器尺寸大、消光比低和调制速率低的问题，提供一种用于片上网络互连的电光调制器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于片上网络互连的电光调制器，由二氧化硅衬底、输入波导、输出波导、表面等离子调制体和隔离层组成；输入波导呈类L形状，其由第二硅基直波导、第三硅基弧形波导和第四硅基直波导组成；第四硅基直波导的尾端和第二硅基直波导的头端分别连接在第三硅基弧形波导的两端；输出波导呈直线形，其由第一硅基直波导组成；隔离层呈直线形，其由二氧化铪构成；表面等离子调制体呈直线形，其自下而上由第一金属电极层、第一二氧化铪层、铟锡氧化物层、第二二氧化铪层和第二金属电极层叠置而成；第四硅基直波导、隔离层和表面等离子调制体的横截面的形状和尺寸完全相同；输入波导和输出波导同时设置在二氧化硅衬底的上表面，且输入波导的第二硅基直波导与输出波导的第一硅基直波导平行；第四硅基直波导的头端形成电光调制器的输入端，第一硅基直波导的尾端即与第二硅基直波导的尾端同方向的一端形成电光调制器的输出端，第二硅基直波导的尾端和第一硅基直波导的头端悬置；隔离层设置在第四硅基直波导上，表面等离子调制体设置在隔离层上；表面等离子调制体的第一金属电极层和第二金属电极层同时与正电极相接，铟锡氧化物层与负电极相接。
上述方案中，第三硅基弧形波导为90度的正圆弧形，此时第四硅基直波导与第二硅基直波导和第一硅基直波导垂直。
上述方案中，输入波导和输出波导的高度和宽度相同。
上述方案中，第一硅基直波导的长度大于第二硅基直波导的长度。
上述方案中，表面等离子调制体的第一金属电极层和第二金属电极层由金构成。
与现有技术相比，本发明将表面等离子激元和活性材料ITO引入到电光调制器中，减小了电光调制器的尺寸，提高了消光比和调制速率并且减少通信延迟。
附图说明
图1为一种用于片上网络互连的电光调制器的立体结构示意图。
图2为一种用于片上网络互连的电光调制器的俯视图。
图3为输入波导、隔离层和表面等离子调制体在电光调制器的输入端处的视图。
图4为表面等离子调制体施加电压的示意图。
图中标号：1、二氧化硅衬底；2、输入波导；3、输出波导；4、表面等离子调制体；5、隔离层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1-3，一种用于片上网络互连的电光调制器，由二氧化硅衬底1、输入波导2、输出波导3和表面等离子调制体4组成。输入波导2呈类L形状，其由第二硅基直波导、第三硅基弧形波导和第四硅基直波导组成。第四硅基直波导的尾端和第二硅基直波导的头端分别连接在第三硅基弧形波导的两端。输出波导3呈直线形，其由第一硅基直波导组成。输入波导2和输出波导3同时设置在二氧化硅衬底1的上表面，且输入波导2的第二硅基直波导与输出波导3的第一硅基直波导平行。第四硅基直波导的头端形成电光调制器的输入端，第一硅基直波导的尾端即与第二硅基直波导的尾端同方向的一端形成电光调制器的输出端，第二硅基直波导的尾端和第一硅基直波导的头端悬置。隔离层5呈直线形，其由二氧化铪构成。隔离层5设置在第四硅基直波导上。表面等离子调制体4呈直线形，其自下而上由第一金属电极层、第一二氧化铪层、铟锡氧化物层、第二二氧化铪层和第二金属电极层叠置而成。表面等离子调制体4设置在隔离层5上。
在本实施例中，输入波导2和输出波导3为两根折射率为3.48的脊型Si波导，其蚀刻在折射率为1.44的SiO2基底薄膜上。输入波导2和输出波导3的距离的距离gap＝150nm，两者耦合模原理实现光信号耦合。第二硅基直波导的长度Lcoupling＝8500nm，第四硅基直波导的长度Lmodulate＝8500nm。第三硅基弧形波导为90度的正圆弧形，此时第四硅基直波导与第二硅基直波导和第一硅基直波导垂直。为了能够更好地实现耦合，第一硅基直波导的长度大于第二硅基直波导的长度。第二硅基直波导、第三硅基弧形波导、第四硅基直波导和第一硅基直波导的宽度Wg＝400nm，第二硅基直波导、第三硅基弧形波导、第四硅基直波导和第一硅基直波导的高度Hg＝180nm。第四硅基直波导、隔离层5和表面等离子调制体4的横截面的形状和尺寸完全相同。表面等离子调制体4的第一金属电极层和第二金属电极层为金。第一金属电极层、第一二氧化铪层、铟锡氧化物层、第二二氧化铪层和第二金属电极层的高度分别为HAu＝500nm、HHfO2＝15nm、HITO＝20nm、HHfO2＝15nm和HAu＝5nm。隔离层5的的高度为HHfO2＝15nm。
表面等离子调制体4的第一金属电极层和第二金属电极层同时与正电极相接，铟锡氧化物层与负电极相接。表面等离子调制体4采用两层金属电极层能够减少电极电阻，达到提高调制速率的目的。两个金属电极层的正离子不断的汇聚，中间的ITO的负离子也汇聚，这样就会形成电势差，就可以实现开关的ON和OFF两种状态的高速切换。如图4所示。光信号从输入波导2入射，由于输入波导2上有可以使光信号发生转换的带有ITO材料的表面等离子调制体4，通过ITO材料的物理特性，在其表面等离子调制体4的第一金属电极层和第二金属电极层两端加电压，导致ITO材料活性的变化，使得光信号离开输入波导2，耦合到紧挨着的输出波导3。
在电压2.35V和入射波长在1550nm时候，降低了调制器的尺寸，耦合传输距离仅为3890nm，提高了调制器的消光比，达到15.2dB，高于传统调制器，调制器的***损耗也比较低，为1.2dB，本调制器拥有更低的功耗，仅为5.7fj，低于其他传统的调制器，调制器调制速率达到0.75Tbits/S明显优于绝大部分调制器。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种用于片上网络互连的电光调制器，其特征是，由二氧化硅衬底(1)、输入波导(2)、输出波导(3)、表面等离子调制体(4)和隔离层(5)组成；
输入波导(2)呈类L形状，其由第二硅基直波导、第三硅基弧形波导和第四硅基直波导组成；第四硅基直波导的尾端和第二硅基直波导的头端分别连接在第三硅基弧形波导的两端；输出波导(3)呈直线形，其由第一硅基直波导组成；隔离层(5)呈直线形，其由二氧化铪构成；表面等离子调制体(4)呈直线形，其自下而上由第一金属电极层、第一二氧化铪层、铟锡氧化物层、第二二氧化铪层和第二金属电极层叠置而成；第四硅基直波导、隔离层(5)和表面等离子调制体(4)的横截面的形状和尺寸完全相同；
输入波导(2)和输出波导(3)同时设置在二氧化硅衬底(1)的上表面，且输入波导(2)的第二硅基直波导与输出波导(3)的第一硅基直波导平行；第四硅基直波导的头端形成电光调制器的输入端，第一硅基直波导的尾端即与第二硅基直波导的尾端同方向的一端形成电光调制器的输出端，第二硅基直波导的尾端和第一硅基直波导的头端悬置；隔离层(5)设置在第四硅基直波导上，表面等离子调制体(4)设置在隔离层(5)上；表面等离子调制体(4)的第一金属电极层和第二金属电极层同时与正电极相接，铟锡氧化物层与负电极相接。
2.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的电光调制器，其特征是，第三硅基弧形波导为90度的正圆弧形，此时第四硅基直波导与第二硅基直波导和第一硅基直波导垂直。
3.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的电光调制器，其特征是，输入波导(2)和输出波导(3)的高度和宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的电光调制器，其特征是，第一硅基直波导的长度大于第二硅基直波导的长度。
5.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的电光调制器，其特征是，表面等离子调制体(4)的第一金属电极层和第二金属电极层由金构成。
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