[发明专利]基于ITO材料的吸收型光调制器结构

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种光调制器，尤其涉及基于ITO材料的吸收型 光调制器结构。

背景技术

光调制器是将电信号转加载到光信号并送入光纤进行传输的模块，是光纤通信系 统中的关键器件之一。在短脉冲的产生、信号的解复用、数据编码、光互联、波长交换、光分 插复用等领域有着广泛的应用，是未来高速光通信系统的核心器件之一，有着极为广阔的 应用空间。近年来，随着数据通信业务爆炸性增长，人们对带宽的需求越来越高，这就使得 在未来的光通信中光调制器小型化、集成化、低功耗化、高速率化的发展成为趋势。几十年 来，随着各种新型光电材料的发现，其在光电子器件方面的应用得到广泛的关注和研究，也 取得了长足的进展，例如基于石墨烯材料的光调制器(见文献MingLiu,etal.A graphene-basedbroadbandopticalmodulator.Nature,2011,Vol474,p64-67)。研 究表明，基于石墨烯材料的光调制器有可能实现超高速率的光信号调制，但是，基于这类新 型的二维材料的光调制器都存在一个问题，即提高调制深度需要更长的石墨烯光波导长 度，这样也就提高了插入损耗和功耗，增大了器件的尺寸。

铟锡氧化物(简称ITO)是In₂O₃掺Sn的半导体材料，是一种透明导电氧化物半导体 材料，具有稳定的化学性质，透光性优良、导电能力良好，已在太阳能电池、平板显示、防霜 玻璃、节能建筑窗、航空航天领域得到了广泛的应用(见文献袭著有,许启明,赵鹏,田晓 珍.ITO薄膜特性及发展方向.西安建筑科技大学学报(自然科学版),第36卷第1期, 2004)。近几年来，其在集成光电子器件中的应用也引起了广泛的关注(见文献S.Zhu,et al.Helmy.Designofanultra-compactelectro-absorptionmodulatorcomprised ofadepositedTiN/HfO2/ITO/CustackforCMOSbackendintegration.Opt. Express,2011,Vol22,p17930-17947)。

二氧化铪(HfO?)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近年来在工业界特 别是微电子领域被引起高度的关注，由于它最可能替代目前硅基集成电路的核心器件金属 氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极绝缘层二氧化硅(SiO?)，以解决目前MOSFET中传统 SiO?/Si结构的发展的尺寸极限问题。

正如上述现有的光调制器中存在对光调制深度和插入损耗、器件尺寸等设计需要 折中做处理的难题，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种调制深度高、消光比高，且 同时具有小尺寸、低插入损耗、低功耗、高速率的基于ITO材料的吸收型光调制器结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于ITO材料的吸收型光调制器结构，包括基底层，在基底层之上有第一光波导层，第 一光波导层呈梯形结构，ITO（氧化铟锡）层、HfO₂（二氧化铪）隔离层和第二光波导层依次覆 盖在第一光波导层之上。

其中，所述基底层的材料为SiO₂。

其中，所述第一光波导层、第二光波导层的材料为Si。

其中，所述第二光波导层上表面呈矩形结构。

其中，所述ITO（氧化铟锡）层的厚度为3~10nm。

其中，所述HfO₂（二氧化铪）隔离层的厚度为5nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、相对简单的波导结构设计，制作工艺简单。

2、本发明可大大提高调制器的调制深度和调制速率，同时降低插入损耗和减小器 件尺寸，调制器调制深度可高达27dB/μm、1μm长度光调制器区域消光比可达27dB，且同 时具有小尺寸(实现3dB的调制只需109nm长度的石墨烯波导)、插入损耗可低至0.03dB/ μm、低功耗(6.59fJ/bit)、调制速率可高达85GHz/bit。

3、本发明光调制器制备工艺上可与传统的CMOS工艺相兼容，易于高度光子集成。