基于ito材料的吸收型光調制器結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子技術領域，涉及一種光調制器，尤其涉及基于ITO材料的吸收型光調制器結構。
【背景技術】
[0002]光調制器是將電信號轉加載到光信號并送入光纖進行傳輸的模塊，是光纖通信系統中的關鍵器件之一。在短脈沖的產生、信號的解復用、數據編碼、光互聯、波長交換、光分插復用等領域有著廣泛的應用，是未來高速光通信系統的核心器件之一，有著極為廣闊的應用空間。近年來，隨著數據通信業務爆炸性增長，人們對帶寬的需求越來越高，這就使得在未來的光通信中光調制器小型化、集成化、低功耗化、高速率化的發展成為趨勢。幾十年來，隨著各種新型光電材料的發現，其在光電子器件方面的應用得到廣泛的關注和研究，也取得了長足的進展，例如基于石墨烯材料的光調制器(見文獻Ming Liu, et al.Agraphene-based broadband optical modulator.Nature, 2011, Vol 474, p64_67)。石開究表明，基于石墨烯材料的光調制器有可能實現超高速率的光信號調制，但是，基于這類新型的二維材料的光調制器都存在一個問題，即提高調制深度需要更長的石墨烯光波導長度，這樣也就提高了插入損耗和功耗，增大了器件的尺寸。
[0003]銦錫氧化物(簡稱ΙΤ0)是In2O3摻Sn的半導體材料，是一種透明導電氧化物半導體材料，具有穩定的化學性質，透光性優良、導電能力良好，已在太陽能電池、平板顯示、防霜玻璃、節能建筑窗、航空航天領域得到了廣泛的應用(見文獻襲著有，許啟明，趙鵬，田曉珍.1TO薄膜特性及發展方向.西安建筑科技大學學報(自然科學版)，第36卷第I期，2004)。近幾年來，其在集成光電子器件中的應用也引起了廣泛的關注(見文獻S.Zhu, etal.Helmy.Design of an ultra-compact electro-absorpt1n modulator comprisedof a deposited TiN/Hf02/IT0/Cu stack for CMOS backend integrat1n.0pt.Express, 2011， Vol 22， pl7930_17947)0
[0004]二氧化鉿(HfO 2)是一種具有寬帶隙和高介電常數的陶瓷材料，近年來在工業界特別是微電子領域被引起高度的關注，由于它最可能替代目前硅基集成電路的核心器件金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)的柵極絕緣層二氧化硅(S1 2)，以解決目前MOSFET中傳統S1 /Si結構的發展的尺寸極限問題。
[0005]正如上述現有的光調制器中存在對光調制深度和插入損耗、器件尺寸等設計需要折中做處理的難題，是本領域技術人員亟需解決的技術問題。

【發明內容】

[0006]本發明目的在于:針對現有技術存在的問題，提供一種調制深度高、消光比高，且同時具有小尺寸、低插入損耗、低功耗、高速率的基于ITO材料的吸收型光調制器結構。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
基于ITO材料的吸收型光調制器結構，包括基底層，在基底層之上有第一光波導層，第一光波導層呈梯形結構，ITO(氧化銦錫)層、Η??2(二氧化鉿)隔離層和第二光波導層依次覆蓋在第一光波導層之上。
[0008]其中，所述基底層的材料為Si02。
[0009]其中，所述第一光波導層、第二光波導層的材料為Si。
[0010]其中，所述第二光波導層上表面呈矩形結構。
[0011]其中，所述ITO(氧化銦錫)層的厚度為3~10nm。
[0012]其中，所述Hf02(二氧化鉿)隔離層的厚度為5nm。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
1、相對簡單的波導結構設計，制作工藝簡單。
[0014]2、本發明可大大提高調制器的調制深度和調制速率，同時降低插入損耗和減小器件尺寸，調制器調制深度可高達27 dB/μπκΙ Mi長度光調制器區域消光比可達27 dB，且同時具有小尺寸(實現3 dB的調制只需109 nm長度的石墨烯波導)、插入損耗可低至0.03 dB/4111、低功耗(6.59 fj/bit)、調制速率可高達85 GHz/bit。
[0015]3、本發明光調制器制備工藝上可與傳統的CMOS工藝相兼容，易于高度光子集成。
[0016]4、IT0(氧化銦錫)層和Hf02( 二氧化鉿)隔離層的組合實現了光調制器同時擁有小尺寸和高性能的優點，無需對光調制深度和插入損耗、器件尺寸等設計做折中的處理。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明實施例光調制器三維結構示意圖；
圖2是本發明實施例光調制器光波導對TM模的光吸收系數隨ITO表面載流子濃度的變化曲線圖；
圖3是本發明實施例光調制器光波導中當ITO材料厚度為10 nm時，TM模在“0N”和“OFF"狀態下的歸一化功率隨著傳輸長度變化的曲線圖；
圖中標記，1、基底層，2、第一光波導層，3、第二光波導層，4、IT0層，5、Hf02隔離層。
【具體實施方式】
[0018]下面結合實施例對本發明作進一步的描述，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，并不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的其他所用實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0019]結合附圖，本發明的基于ITO材料的吸收型光調制器結構，如圖1所示，包括基底層，在基底層之上有第一光波導層，第一光波導層呈梯形結構，ITO層、HfO2隔離層和第二光波導層依次覆蓋在第一光波導層之上。
[0020]其中，所述基底層的材料為Si02。
[0021]其中，所述第一光波導層、第二光波導層的材料為Si。
[0022]其中，所述第二光波導層上表面呈矩形結構。
[0023]其中，所述ITO層的厚度為>10nm。
[0024]其中，所述HfO2隔離層的厚度為5nm。
[0025 ]本發明的光調制器工作原理為:外加電壓施加在ITO層上，通過調制ITO材料表面聚集的載流子濃度變化來改變其光學響應特性，從而調控光波導中有效折射率的實部和虛部的變化，有效折射率的實部對應光相位的改變，有效折射率的虛部對應光的吸收系數。在特定偏置電壓點，該光波導的光吸收系數非常小，光信號幾乎可以無損耗的通過，可作為“ON”狀態;在另一個特定偏置電壓點，可引起較大的光吸收系數，光信號幾乎全部被吸收掉而無法通過光波導，可作為“OFF”狀態。將第一光波導層設置為梯形結構，這樣就在波導中引入更大面積的ITO層，增大了 ITO與光的有效作用面積，大大提高了光調制效率。合理選擇ITO層的厚度，可以明顯提升光信號的光吸收調制效果。HfO是一種具有寬帶隙和高介電常數的陶瓷材料，近年來在工業界特別是微電子領域被引起極度的關注，由于它最可能替代目前硅基集成電路的核心器件MOSFET的柵極絕緣層S1 2，可以解決目前MOSFET中傳統S1/Si結構的發展的尺寸極限問題。且基于ITO材料的吸收型光調制器制備工藝與傳統的CMOS工藝兼容，具有易于集成的優點。
實施例
[0026]本實施例基于ITO材料的吸收型光調制器結構三維結構示意圖如圖1所示;采用波長為1.55μπι的光波，第一光波導層，第一光波導層呈梯形結構，ITO層、HfO2隔離層和第二光波導層依次覆蓋在第一光波導層之上。基底層的材料為S12,第一光波導層和第二光波導層的材料均為Si，第一光波導層梯形結構下底長為0.3μηι，上底長為0.2μηι，高度為0.17μηι；第二光波導層上表面呈矩形結構，高度為0.17μπι，寬度為0.3μπι，Η??2隔離層的厚度為5 nm。
[0027]圖1是本發明實施例光調制器三維結構示意圖，包括基底層，在基底層之上有第一光波導層，第一光波導層呈梯形結構，ITO層、HfO2隔離層和第二光波導層依次覆蓋在第一光波導層之上。
[0028]圖2是本發明實施例光調制器光波導對TM模的光吸收系數隨ITO材料表面載流子濃度的變化的示意圖，研究了不同ITO材料厚度時光波導對TM模的光吸收系數的影響。研究表明當ITO材料厚度為10 nm時，可以引起光波導對TM模足夠大的光吸收系數，該光吸收系數可高達27 dB/μπι，此值數倍大于當ITO材料厚度為5 nm和3 nm時的光吸收系數。
[0029]圖3是本發明實施例光調制器光波導中當ITO材料厚度為10nm時，TM模在“0N”和“OFF”狀態下的歸一化功率隨著傳輸長度變化的曲線圖。從圖中明顯可見，I μπι長度的基于ITO材料的吸收型光調制器在“0N”狀態時，光信號幾乎沒有損耗的通過;但在“OFF”狀態時，光信號隨著傳輸距離迅速衰減。計算結果顯示，實現3 dB的調制只需109 nm長度的石墨烯波導，I nm長度的光調制器即可實現27dB的消光比，插入損耗為0.03 dB/μπι。
[0030]對于一個光調制器，其調制速率和功耗也是衡量其性能的關鍵參數。對于本發明光調制器結構的光調制速率主要是受RC常數的限制，可表達為f3dB=l/23iRC，功耗的計算表達式為Ebit=C( Δ U)2/4，其中R=500 Ω為調制器的系統電阻，C=3.7229fJ是調制器的系統電容，Δ U=2.66V是本發明調制器在“0N”和“OFF”狀態切換時的電壓差。計算結果表明，本發明光調制器的調制速率為85 GHz/bit，而功耗只有6.59 fj/bit。
【主權項】
1.基于ITO材料的吸收型光調制器結構，包括基底層(1)，在基底層(I)上設置有呈梯形結構的第一光波導層(2)，第一光波導層(2)上依次設置有ITO層(4)、Hf02隔離層(5)、第二光波導層(3)。2.根據權利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光調制器結構，其特征在于，所述基底層的材料為S12。3.根據權利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光調制器結構，其特征在于，所述第一光波導層、第二光波導層的材料為Si。4.根據權利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光調制器結構，其特征在于，所述第二光波導層上表面呈矩形結構。5.根據權利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光調制器結構，其特征在于，所述ITO層的厚度為3?10 nm06.根據權利要求1所述的基于ITO材料的吸收型光調制器結構，其特征在于，所述HfO2隔離層的厚度為5 nm0
【專利摘要】本發明公開了基于ITO材料的吸收型光調制器結構，其主旨在于提供一種調制深度高、消光比高，且同時具有小尺寸、低插入損耗、低功耗、高速率的基于ITO材料的吸收型光調制器結構。其包括基底層（1），在基底層（1）上設置有呈梯形結構的第一光波導層（2），第一光波導層（2）上依次設置有ITO層（4）、HfO2隔離層（5）、第二光波導層（3）。用于光子集成及光纖通信系統中。
【IPC分類】G02F1/01
【公開號】CN105676484
【申請號】CN201610226225
【發明人】劉永, 夏瑞杰, 葉勝威, 袁飛, 陸榮國, 張雅麗
【申請人】電子科技大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年4月13日