一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器

1.本发明属于硅基光电子学领域，具体涉及一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器。


背景技术：

2.光调制器件是光学系统中的核心器件，它们能够有效地控制光的强度，被广泛应用于光学数据处理与计算中。目前的集成光调制器件主要是基于电光、热光以及声光效应实现的，利用调制波导较高的电光、热光及声光系数，以获得理想的调制效率。
3.随着氮化硅波导平台的广泛应用，基于该平台的各类光学器件如光栅耦合器、隔离器、偏振控制器等均已实现。然而由于氮化硅波导本身的电光或热光等调制系数均远低于硅波导，若将目前的硅基集成光调制器的设计运用到氮化硅波导平台上，会带来远高于硅波导平台的调制功耗。因此在氮化硅波导平台上实现低功耗的集成光调制器是非常困难的。


技术实现要素：

4.针对上述存在问题或不足，为了在氮化硅波导平台上实现低功耗光调制器的集成，本发明提供了一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器。通过在氮化硅磁光波导器件上制备金属导线与软磁薄膜，实现利用微弱的电流控制软磁薄膜磁化方向，进而控制磁光薄膜磁化方向的效果，从而达到在氮化硅波导平台上以低功耗控制光强的效果。
5.一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，包括氮化硅磁光波导器件和片上电磁铁。
6.所述氮化硅磁光波导器件由氮化硅波导器件和磁光波导组成。
7.所述片上电磁铁由软磁材料薄膜和金属导线组成；其中，金属导线的电阻率≤3
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10-8
ω
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m，用于施加电流后产生外磁场以将软磁材料薄膜磁化至饱和；软磁材料薄膜具有≤20oe的矫顽力、≥1t的饱和磁化强度和≥1t的剩余磁化强度，当被磁化至饱和后产生大于200oe的磁场，作用于磁光波导。由于将软磁材料薄膜磁化至饱和所需的磁场较小，故所需电流较小，同时其电导率较大，因此能够大大改善发热问题。
8.工作时，首先在金属导线中通入电流，使其产生外磁场并将软磁材料薄膜磁化至饱和，而后软磁材料薄膜会在其周围产生大于200oe的磁场，该磁场将磁光波导磁化；在该状态下，入射光会以一定强光强输出。通过改变金属导线中通入电流的方向，其产生的外磁场方向发生180度翻转，使得软磁材料薄膜的磁化方向发生翻转，进而使得磁光波导的磁化方向发生翻转，器件输出光的光强将发生明显改变，从而控制输出的光强。
9.进一步的，所述金属导线生长于磁光波导的上方，软磁材料薄膜生长在金属导线的上方。
10.进一步的，所述软磁材料薄膜为双条形，形成对磁极，其上均设有硅基集成的金属导线，并对其上硅基集成的金属导线分别施加相同方向的电流，使得双条形硅基集成的软
磁材料薄膜中间区域的磁场强度提高，而磁光波导居于对磁极的中间区域。
11.进一步的，所述软磁材料薄膜为坡莫合金材料。
12.进一步的，所述金属导线为金导线。
13.进一步的，所述氮化硅波导器件包括马赫-增德尔干涉器件或微环器件。
14.综上所述，本发明提出一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，通过在氮化硅磁光波导器件的磁光波导上制备金属导线和软磁材料薄膜，实现利用微弱的电流控制软磁材料薄膜的磁化方向，进而控制磁光波导磁化方向的效果，达到在氮化硅波导平台上以低功耗控制光强的效果。本发明对氮化硅波导平台低功耗的光调制功能实现具有重要意义。
附图说明
15.图1为实施例的结构俯视、片上电磁铁的三维及截面结构示意图；
16.图2为实施例(nife)软磁材料薄膜的磁滞回线测试图；
17.图3为实施例片上电磁铁在磁光波导区域产生的磁场强度随z方向距离的变化曲线；
18.图4为实施例片上电磁铁在磁光波导区域产生的磁场强度随y方向距离的变化曲线；
19.图5为实施例氮化硅基磁光调制器的传输谱线测试图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
21.本实施例中，基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器的整体结构俯视、片上电磁铁的三维及截面结构如图1所示。其中氮化硅波导宽度为1000nm，厚度为400nm；氮化硅波导上层为200nm厚的磁光材料层；如图1所示。采用金导线覆盖在磁光薄膜上方，以及双条形的nife薄膜(软磁材料薄膜)覆盖在金导线上，形成对磁极结构；nife薄膜的截面尺寸均为为5μm
×
300nm，且与氮化硅波导的水平距离均为2μm。
22.本实施例中，镍铁(nife)薄膜的磁滞回线测试如图2所示。该nife薄膜是通过脉冲激光沉积技术在硅基底上制备的。通过测试可见当外磁场强度达到15oe时，nife薄膜已被完全磁化。当撤掉外磁场，即磁场强度等于0时，nife薄膜内的剩余磁化为770emu/cm3，即9700gs。
23.片上电磁铁在磁光波导区域产生的磁场强度随z方向距离的变化如图3所示。通过将图2中的9700gs剩余磁化代入图1中的nife薄膜结构中进行静磁场仿真，得到其在y＝0，z＝0.4-0.6μm范围内所产生的磁场强度的水平分量为240-245gs，该磁场强度已经足以使y＝0处的磁光材料薄膜达到面内磁饱和状态。
24.而片上电磁铁在磁光波导区域产生的磁场强度随y方向距离的变化如图4所示。通过将图2中的9700gs的剩余磁化代入图1中的nife薄膜结构中进行静磁场仿真，得到其在z＝0.5μm(磁光材料薄膜厚度中心)，y＝-0.5-0μm范围内所产生的磁场强度的水平分量为约245gs，由结构的对称性可知，其在0-0.5μm范围内产生的磁场强度的水平分量为也为245gs，即在两个nife磁极之间的区域内，其产生的磁场强度均大于245gs。该结果表明磁场
强度已经足以使氮化硅波导上方的磁光薄膜达到面内磁饱和状态，从而实现磁化氮化硅磁光波导的效果。
25.测试上述本实施例氮化硅基磁光调制器的传输谱线如图5所示。可见当在金导线中施加不同方向的电流后，在同一波长1602.73nm处，器件传输光的强度发生了超过20db的变化，实现了通过电流控制输出光强的效果。
26.通过以上实施例可见，本实施例测试了实际生长的镍铁(nife)薄膜的磁滞回线，并根据测试数据进行模拟计算，得到了其自身达到磁饱和状态时所需的磁场及结构，并实际测试了所制备的氮化硅基磁光调制器的传输谱线。结果显示本发明通过在氮化硅磁光波导器件的磁光波导上制备金属导线和软磁材料薄膜，实现利用微弱的电流控制软磁材料薄膜的磁化方向，进而控制磁光波导磁化方向的效果，能够达到所需光强控制要求，有效改善了当前氮化硅波导平台集成的光调制器存在高功耗以及发热问题。


技术特征：
1.一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，其特征在于：包括氮化硅磁光波导器件和片上电磁铁；所述氮化硅磁光波导器件由氮化硅波导器件和磁光波导组成；所述片上电磁铁由软磁材料薄膜和金属导线组成；其中，金属导线的电阻率≤3
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10-8
ω
·
m，用于施加电流后产生外磁场以将软磁材料薄膜磁化至饱和；软磁材料薄膜具有≤20oe的矫顽力、≥1t的饱和磁化强度和≥1t的剩余磁化强度，当被磁化至饱和后产生大于200oe的磁场，作用于磁光波导；工作时，首先在金属导线中通入电流，使其产生外磁场并将软磁材料薄膜磁化至饱和，而后软磁材料薄膜会在其周围产生大于200oe的磁场，该磁场将磁光波导磁化；通过改变金属导线中通入电流的方向，其产生的外磁场方向发生180度翻转，使得软磁材料薄膜的磁化方向发生翻转，进而使得磁光波导的磁化方向发生翻转，从而控制输出的光强。2.如权利要求1所述基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，其特征在于：所述金属导线生长于磁光波导的上方，软磁材料薄膜生长在金属导线的上方。3.如权利要求1所述基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，其特征在于：所述软磁材料薄膜为双条形，形成对磁极，其上均设有硅基集成的金属导线，并对其上硅基集成的金属导线分别施加相同方向的电流，使得双条形硅基集成的软磁材料薄膜中间区域的磁场强度提高，而磁光波导居于对磁极的中间区域。4.如权利要求1所述基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，其特征在于：所述软磁材料薄膜为坡莫合金材料。5.如权利要求1所述基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，其特征在于：所述金属导线为金导线。6.如权利要求1所述基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器，其特征在于：所述氮化硅波导器件为马赫-增德尔干涉器件或微环器件。

技术总结
本发明属于硅基光电子学领域，具体涉及一种基于片上电磁铁的氮化硅基磁光调制器。本发明通过在氮化硅磁光波导器件的磁光波导上制备金属导线和软磁材料薄膜，实现利用微弱的电流控制软磁材料薄膜的磁化方向，进而控制磁光波导磁化方向的效果，从而达到在氮化硅波导平台上以低功耗控制光强的效果。本发明对氮化硅波导平台低功耗的光调制功能实现具有重要意义。义。义。


技术研发人员：毕磊 吴迪 严巍 宋潇逸 秦俊 邓龙江
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.09.13
技术公布日：2023/1/2