[发明专利]一种基于Si-VO2复合波导的电光调制器

说明书

本发明公开一种基于Si‑VO₂复合波导的电光调制器，其结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅下包层、脊形波导、二氧化硅上包层、金属电极层。其中脊形波导刻有狭槽，在凸条中填充有二氧化钒形成Si‑VO₂复合波导，在两侧的平板中填充有二氧化硅用作绝缘。狭槽两侧的P型和N型轻掺杂区构成了PN结，金属电极与平板两侧重掺杂区相连。本发明的基本原理是利用二氧化钒在电场作用下发生相变引起折射率的变化，从而实现调制。该电光调制器结构简单、调制消光比高、插入损耗低，同时利用倾斜的二氧化钒狭槽结构可以增加作用长度同时有效减弱反射光强度，在光通信及集成光电子领域中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及硅基集成光电子学中的电光调制技术，特别是一种基于Si-VO2复合波导的电光调制器。

背景技术

硅基光电子器件凭借其低功耗、低成本、微型化、与传统微电子加工工艺兼容等优势，成为未来光通信技术发展中不可或缺的一部分。作为光传输网络中电光转换的关键器件之一，调制器一直以来都是研究者们关注的热点，其性能的好坏将直接影响整个光通信系统的优劣。

通常情况下，硅基集成光电子器件通过热光效应或者载流子色散效应来改变硅材料的折射率特性，从而实现有源调节。但热光效应速度相对比较慢，通常在微秒量级；载流子色散效应虽然响应时间快，但其折射率的调节范围有限，通常折射率的改变在10-3量级，因此为了实现180度相位的变化，器件的长度需要在毫米量级，导致高速调制器和光开关器件通常尺寸很大。因此需要寻找一种可以实现高速大幅度调节折射率的材料，与硅混合集成来实现电光调制器，从而进一步减小硅基调制器的尺寸和功耗。

自从1959年具有相变特性的钒氧化物被发现以来，许多国家都对其制备方法进行了深入的研究和探索。通过改善制备方法和调整工艺参数，制备的二氧化钒薄膜的性能越来越优异。二氧化钒作为一种相变材料，在热光电诱导下可实现介质态到金属态间的相变，折射率的变化比硅材料提高了三个数量级，因而在实现光电子器件方面特别有吸引力。最近研究人员也通过实验发现这种相变中存在着快速转变机理，在外加电场诱导下皮秒时间尺度内就可实现相变，因而非常适合制作高速调制器，是未来电光调制器非常有潜力的一种新材料。

基于二氧化钒相变机理，可将二氧化钒材料和硅波导结合起来形成复合波导，用于制作硅基电光调制器，利用其快速相变和折射率大幅变化的特性，可以实现一种高速超小型宽带电光调制器。

发明内容

本发明是基于现有的光子学理论和成熟的制备工艺基础，针对上述问题和现有技术的不足，提出一种基于Si-VO2复合波导的电光调制器，该硅基电光调制器的硅波导中具有一条填充二氧化钒的倾斜狭槽，在外加电场作用下二氧化钒不仅能快速发生相变实现调制，而且倾斜狭槽结构可以增加光与二氧化钒的作用长度同时减弱光的反射。该调制器结构简单、调制消光比高、插入损耗低，在光通信及集成光电子领域具有广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于硅-二氧化钒复合波导的电光调制器，包括从下到上依次连接的硅衬底、二氧化硅下包层、脊形波导层、二氧化硅上包层和金属电极层；所述脊形波导层由中间凸起的凸条区和两侧低平的平板区组成，在该脊形波导层的上表面刻有贯穿波导的狭槽，且该狭槽与所述波导纵向的夹角为5°～90°，所述凸条区的凸条狭槽中填充有二氧化钒，所述平板区的平板狭槽中填充有二氧化硅，在所述凸条区的凸条狭槽的两侧分别形成N型轻掺杂区和P型轻掺杂区，在所述平板区的平板狭槽的两侧分别形成N型重掺杂区和P型重掺杂区，且所述N型轻掺杂区与所述N型重掺杂区在狭槽的同侧，所述P型轻掺杂区与P型重掺杂区在狭槽的同侧；所述金属电极层由相互不连通的两部分组成，一部分经二氧化硅上包层的通孔与N型重掺杂区连通，另一部分经二氧化硅上包层的通孔与P型重掺杂区连通，形成欧姆接触，调制工作时连接微波信号。

优选的，所述脊形波导层由硅材料构成，所述凸条高于所述平板区。