[发明专利]一种基于相变材料的电光调制器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。