一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器的制作方法

本发明属于电光调制器领域，尤其涉及一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器。

背景技术：

硅基光电子技术因其具有高密度集成、大带宽、高传输速率及抗干扰，且与传统的cmos工艺兼容等优势，成为了业界普遍认可的光互联技术中最有发展潜力的关键技术。电光调制器作为光互联技术中的核心器件，具有重要的研究意义，它将电信号转换成高码率的光数据。它利用材料具有热光效应、电光效应、磁光效应、电吸收效应，来调制光的相位、振幅、偏振。通常设计的器件类型有马赫—策德尔干涉仪、环谐振器、锗基电吸收调制器，但它们都存在很多缺点，如基于pn结的体积大、外加电压高、调制效率低；基于石墨烯的集成不便、不易大批量生产。

为解决调制效率、体积、生产效率等指标的冲突，本发明提出了基于spp(表面等离子体激元)和low-indexconfinement(低折射率场约束)原理的等离子体结构狭缝波导，限制模场在狭缝中传播，从而减少器件体积提升调制效率，并利用有机材料在外加电场下展示出的可调控的电光系数，有效调控波导中传播光场的损耗大小，从而实现几微米调制长度上的高效率调制。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器，以解决调制效率不高、体积大、不便大批量生产等问题，使用等离子体结构，基于spp(表面等离子体激元)和low-indexconfinement(低折射率场约束)原理，光场分布被限制在有机材料区域，还可突破衍射极限，并通过外加电场调控有机材料的电光系数，从而使得电光调制器输出端检测到的光功率实现大范围的改变，实现对输入光的高调制效率。

本发明提出了一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器，包括衬底，设置在所述衬底上的绝缘层，以及设置在所述绝缘层上的电光调制器件层，其中，所述电光调制器件层包括横向设置的金属-有机材料-掺杂硅构成的混合等离子体结构，以及第一电极和第二电极，所述有机材料受所述金属和掺杂硅所夹，构成狭缝波导，所述第一电极延伸并连接在所述混合等离子体结构的金属侧，所述第二电极延伸并连接在所述混合等离子体结构的掺杂硅侧，该第一电极和第二电极上施加一个外加电压，所述有机材料在施加所述外加电压时，使有机材料分子发生极化，其电光系数发生变化，从而改变折射率实现对入射光信号的调制。

优选地，所述第一电极和所述第二电极为导电金属，该第一电极和第二电极分别包括设置在远端的引脚以及覆盖在所述绝缘层上的延伸层，其中第一电极的延伸层电接触到所述混合等离子体结构的金属上，所述第二电极的延伸层电接触到所述混合等离子体结构的掺杂硅上。

优选地，所述第一电极和所述第二电极的材质包括：金等。

优选地，所述衬底为二氧化硅衬底。

优选地，所述绝缘层为金属氧化物绝缘层，包括：三氧化二铝等。

优选地，所述混合等离子体结构中的金属为银。

优选地，所述混合等离子体结构中的有机材料包括发色团psld41纯净材料以及用发色团yld124和psld41按一定比例的混合物组成的混合材料。

优选的，所述混合物的比例为25：75wt.％。

优选的，所述掺杂硅为p型重掺硅或n型重掺硅。

优选的，所述混合等离子体结构的横向尺寸为500nm-800nm左右。

本发明提出的一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器，有望解决调制效率、体积、生产效率等指标的冲突，为实现更高带宽、更小体积的电光调制器在芯片上集成的目标添砖加瓦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电光调制器剖面结构示意图。

图2为本发明未加电压时狭缝波导中光场强度分布。

图3为本发明施加一定电压时狭缝波导中光场强度分布。

其中，1是衬底，2是绝缘层，3是电光调制器件层，31是混合等离子体结构中的金属、32是混合等离子体结构中的有机材料、33是混合等离子体结构中的掺杂硅，34是第一电极，35是第二电极，36是延伸层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提出一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器，以解决调制效率不高、体积大、不便大批量生产等问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于等离子体结构与有机材料的硅基复合波导的电光调制器，包括衬底1，设置在所述衬底1上的绝缘层2，以及设置在所述绝缘层2上的电光调制器件层3。其中，如图1所示，所述电光调制器件层3包括横向设置的金属31、有机材料32掺杂硅33构成的混合等离子体结构，以及第一电极34和第二电极35，所述有机材料32受所述金属31和掺杂硅33所夹，构成狭缝波导，所述第一电极34延伸并连接在所述混合等离子体结构的金属31侧，所述第二电极35延伸并连接在所述混合等离子体结构的掺杂硅33侧，该第一电极34和第二电极35上施加一个外加电压，所述有机材料32在施加所述外加电压时，使有机材料分子发生极化，其电光系数r33发生变化，从而改变折射率实现对入射光信号的调制。

所述的衬底1主要起着机械支撑的作用，绝缘层2用于避免电光调制器件层3与芯片板上电路间的信号串扰，电光调制器件层3用于调制光信号，对输入的单一强度的光信号进行高速的调制，输出由所加电压变化产生的不同编码格式的已调光信号。

请再参见图1，所述第一电极34和所述第二电极45为导电金属，该第一电极34和第二电极35分别包括设置在远端的引脚以及覆盖在所述绝缘层2上的延伸层36，其中第一电极34的延伸层36电接触到所述混合等离子体结构的金属31上，所述第二电极35的延伸层36电接触到所述混合等离子体结构的掺杂硅33上，这样当第一电极34和第二电极34施加外加电压之后，在有机材料32的两侧形成电压差，从而生成调制电场。

第一电极34和所述第二电极35的材质优选为导电金属，这样这两个电极就具有良好的电学特性和机械特性，用于将外部电压加载在有机材料横向两端，具体的可采用金、银等优质导体。

衬底1为具有特定电学和机械特性的半导体的元素氧化物(二氧化硅)，主要起着机械支撑的作用。

绝缘层2为金属氧化物绝缘层，比如三氧化二铝等。使器件表面化学性质以及电学性质不活泼，从而达到稳定器件特性的作用。

混合等离子体结构中的金属31优选为银。银的理化性质均较为稳定，导热、导电性能很好，质软，富延展性。其反光率极高，可达99％以上。

混合等离子体结构中的有机材料32包括：发色团psld41纯净材料，以及用发色团yld124和psld41按比例为25：75wt.％的混合物组成的混合材料，也称为二元发色团有机玻璃(bcog)，可以实现超过100pm/v的电光系数υ33。

混合等离子体结构中的掺杂硅33为p型重掺硅或n型重掺硅。由于电子迁移率较大，n型掺杂效果会优于p型。该混合等离子体结构的横向宽度为500-800nm。

电光调制器件层3中进行电光调制的流程为：输入光耦合入电光调制器件层3中的有机材料32构成的狭缝波导后，基于spp(表面等离子体激元)原理：(1)、表面等离子体波是在两种界面附近存在的波，界面两侧的折射率分布对场分布有很大的影响；(2)、具有局域分布的特性，而且其分布深度可小于波长量级；(3)、突破衍射极限，使得表面等离子体波spp能够应用于制作亚波长量级的光电子器件的生产，有利用光电子集成器件的制作。以及low-indexfieldconfinement(低折射率场约束)原理，光场被限制在狭缝波导中，外加电场通过第一电极34、第二电极35以及金属31和掺杂硅33施加在有机材料32两端，初始有机材料32不具有发色团分子的任何宏观上的eo(电光)效应和其他取向，由于专门定制的有机材料32具有很强的线性eo效应(pockels效应)，通过调整外加电场大小，引起宏观的eo活性。在电极之间施加直流极化电压，使有机材料中的分子被极化，从而调控有机材料的电光系数υ33，使得折射率发生改变，使得电光调制器件层3输出端检测到的光功率实现大范围的改变，实现对输入光的高调制效率。

请参见图2和图3，图2和图3是本发明的电光调制器在施加外加电压前后的模式仿真图。其中，该电光调制器中的混合等离子体结构的尺寸在700nm左右，整个器件的尺寸在3um左右。

从图2和图3中可以看出，本发明的电光调制器在施加外加电压前后，有机材料32中的光传输特性发生明显变化。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本新型的限制。