一种基于相变材料的电光调制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于相变材料的电光调制器，包括SOI基片，特点是SOI基片上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，所述的混合波导从下到上依次由硅波导层、相变材料GST层和铜电极层叠加而成，SOI基片包括一层厚度为250nm的硅衬底和一层厚度为2um的二氧化硅层，输入波导的厚度和输出波导的厚度均为250nm、宽度均为400nm，混合波导的厚度为290nm，宽度为400nm，硅波导层一侧通过选择性刻蚀形成厚度为10nm的硅薄膜，优点是具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较高的调制深度以及较低的插入损耗。

An electro-optic modulator based on phase change material

The invention discloses an electro-optic modulator based on phase change material, including a SOI substrate, which is characterized by an input waveguide, a mixed waveguide and an output waveguide arranged in a horizontal direction along the horizontal direction of the SOI substrate. The mixed waveguide is sequentially superposed by a silicon waveguide layer, a phase change material GST layer and a copper electrode layer, and a SOI base. The film consists of a silicon substrate with a thickness of 250nm and a layer of silicon dioxide with a thickness of 2um. The thickness of the input waveguide and the thickness of the output waveguide are both 250nm and 400nm, the thickness of the mixed waveguide is 290nm, the width is 400nm, and the silicon waveguide layer is selectively etched into the silicon thin film with the thickness of 10nm by selective etching. Size urination is integrated on the chip, energy consumption is low, wide bandwidth, higher modulation depth and lower insertion loss.

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的电光调制器
本专利技术涉及一种电光调制器，尤其是涉及一种基于相变材料的电光调制器。
技术介绍
随着人们对信息处理速度，数据传输速率，数据存储容量等要求的不断提高，信息网络以爆炸性的速度增长。为了满足大容量、超高速的信息互联互通需求，往往需要性能优越的电光信号处理器件。电光调制器作为光通信传输中实现信息在电信号与光信号之间转换的核心器件，其具有广阔的发展和应用前景，引起了科研人员的极大兴趣。现有的硅基电光调制器利用高掺杂硅的等离子色散效应或者石墨烯的费米能级调控来实现对信号光的调制，然而在调制过程中需要持续的能量输入才能保持调制状态，在这个过程中，伴随着较大的能量消耗，不利于低功耗器件的实现。自从GST(Ge2Sb2Te5)相变材料被发现以来，在电子、物理、材料等领域都得到了广泛的应用。特别是在光存储领域获得了非常成功的商业化应用。相变材料GST具有优良的光学特性和电学特性。在晶态和非晶态特性差异巨大、纳秒级的相态转变速度以及不需要额外能量供给即可保持相态稳定，这些优点使得相变材料GST成为新型电光调制器的理想候选材料。但是，目前国内外还没有公开任何关于基于相变材料的电光调制器的相关研究报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较高的调制深度以及较低的插入损耗的基于相变材料的电光调制器。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相变材料的电光调制器，包括SOI基片，所述的SOI基片上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，所述的混合波导从下到上依次由硅波导层、相变材料GST层和铜电极层叠加而成。所述的SOI基片包括一层厚度为250nm的硅衬底和一层厚度为2um的二氧化硅层，所述的二氧化硅层设置在所述的硅衬底上表面，所述的输入波导、所述的硅波导层和所述的输出波导设置在所述的二氧化硅层的上表面。所述的输入波导的厚度和所述的输出波导的厚度均为250nm、宽度均为400nm。所述的混合波导的厚度为290nm，宽度为400nm，其中上层所述的铜电极层的厚度为10nm，中间所述的相变材料GST层的厚度为30nm，底层所述的硅波导的厚度为250nm。所述的硅波导层一侧通过选择性刻蚀形成厚度为10nm的硅薄膜，所述的硅薄膜在与所述的硅波导层经过N型掺杂后作为电极接地。所述的电光调制器的总长度为0.5um。基于相变材料的新型电光调制器工作原理：利用了相变材料GST在非晶态、晶态下具有差异较大的折射率和光吸收系数。当GST为非晶态时，其折射率和吸收系数较小。混合波导与光信号互相作用小，混合波导像介质波导，光信号损耗极低。其中，大部分的光信号分布在底层硅波导中，仅有些许光信号分布于GST层。因此，大部分的输入光信号可以平稳的通过混合波导到达输出波导。当GST从非晶态转换为晶态时，折射率和吸收系数急剧增大，光信号分布在GST层中增多，混合波导与光信号的互相作用大大加强，光信号损耗大幅度增加。所以输入波导中的光信号仅有少部分通过混合波导到达输出波导。因此，通过在混合波导两端的电极施加适当的电脉冲信号实现GST在晶态、非晶态之间转换，从而实现电信号到光信号的调制。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术公开了一种基于相变材料的电光调制器，该电光调制器由输入波导、输出波导和混合波导(Si-GST-Cu)组成。混合波导由Si、相变材料GST（Ge2Sb2Te5）和Cu材料构成，相变材料GST分布于Si波导和Cu电极中间，呈一个类三明治的结构。当通过电极施加不同的电压信号激励相变材料GST时，GST相态发生相应的转变，以致混合波导的折射率和吸收系数也会随之发生改变，引起输出光信号的变化，最终实现光信号的调制。优点如下：1、与传统的电光调制器相比，基于相变材料的新型电光调制器具有较大的折射率虚部反差，极大地缩小了器件尺寸，使得器件结构更加紧凑，大小仅为0.2um2，便于片上集成。此外，整个器件制作简单并且兼容CMOS工艺，有利于实现产业化。2、相变材料GST在不同相态的转换速度快（纳秒级），使得新型电光调制器具有较高的调制速率。3、基于相变材料的新型电光调制器，相变材料GST在晶态、非晶态下无需额外的能量供给，即可保证相态的稳定性。只在相变材料相态转换时消耗能量，且能量消耗极低为亚nJ/bit量级，器件的极低的能量消耗符合器件向低功耗发展的趋势。4、基于相变材料的新型电光调制器的工作带宽大于100nm，在1500nm-1600nm波长范围内有较低的插入损耗，较高的调制深度（约为5.4dB/um），具有广阔应用前景。综上所述，本专利技术基于相变材料的电光调制器，该电光调制器具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较高的调制深度、较低的插入损耗等特点。此外，该器件的制作简单，兼容CMOS工艺，有利于实现产业化，非常适合运用于未来超级计算机和数据中心，具有广阔的发展与应用前景。附图说明图1为本专利技术基于相变材料的电光调制器的结构示意图；图2为本专利技术电光调制器的具体制作流程。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。具体实施例一种基于相变材料的电光调制器，包括SOI基片，由图1所示，SOI基片上沿水平方向设置有依次相接的输入波导3、混合波导和输出波导5，混合波导从下到上依次由硅波导层4、相变材料GST层7和铜电极层8叠加而成。在此具体实施例中，SOI基片包括一层厚度为250nm的硅衬底1和一层厚度为2um的二氧化硅层2，二氧化硅层2设置在硅衬底1上表面，输入波导3、硅波导层4和输出波导5设置在二氧化硅层2的上表面。输入波导3的厚度和输出波导5的厚度均为250nm、宽度均为400nm。混合波导的厚度为290nm，宽度为400nm，其中上层铜电极层8的厚度为10nm，中间相变材料GST层7的厚度为30nm，底层硅波导4的厚度为250nm。硅波导4一侧通过选择性刻蚀形成厚度为10nm的硅薄膜6，硅薄膜6在与硅波导层4经过N型掺杂后作为电极接地。电光调制器的总长度为0.5um。本调制器的主要参数分析：经过仿真计算，可以得到本电光调制器的各项参数，器件尺寸小，仅为0.2um2；低功耗（非晶态到晶态转变耗能163pJ，晶态到非晶态转变耗能194pJ）；调制带宽大于100nm；在1500nm-1600nm波段范围内，调制深度约为11dB/um并且整个器件插入损耗小于0.5dB。相变材料GST的引入，有效加强了光与波导的互相作用，在提高调制深度的同时缩小了器件尺寸。GST在晶态、非晶态具有差异较大的折射率和吸收系数。GST在晶态和非晶态两种相态之间转换，可以通过施加电脉冲或光脉冲激励实现。并且GST具有纳秒级的相态转变速度。GST从非晶态到晶态转换，可以通过施加适当电脉冲或光脉冲激励加热GST，使其温度高于其结晶温度（413K）并低于其熔点（819Ｋ）实现。GST从晶态转换到非晶态，可以通过施加适当电脉冲或光脉冲激励加热GST，使其温度高于其熔点（819K）并迅速骤冷实现。此外，GST具有良好的非易失性，不需额外能量即可保持相态稳定。GST相态的变化引起混合波导的折射率和光吸收系数变化，进而导致输出光信号的变化，从而实现对光信号的调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相变材料的电光调制器，包括SOI基片，其特征在于：所述的SOI基片上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，所述的混合波导从下到上依次由硅波导层、相变材料GST层和铜电极层叠加而成。

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的电光调制器，包括SOI基片，其特征在于：所述的SOI基片上沿水平方向设置有依次相接的输入波导、混合波导和输出波导，所述的混合波导从下到上依次由硅波导层、相变材料GST层和铜电极层叠加而成。2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的电光调制器，其特征在于：所述的SOI基片包括一层厚度为250nm的硅衬底和一层厚度为2um的二氧化硅层，所述的二氧化硅层设置在所述的硅衬底上表面，所述的输入波导、所述的硅波导层和所述的输出波导设置在所述的二氧化硅层的上表面。3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的电光调制器，其特征在于：所述的输入波导的厚度和所述的输出波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐培鹏，于增辉，宋以鹏，吕业刚，张巍，吴越豪，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33