[发明专利]一种大带宽硅基光调制器

说明书

本发明提供一种大带宽硅基光调制器，包括：基底及其上的绝缘层；n型掺杂硅层，位于所述绝缘层之上；p型掺杂硅层，位于所述n型掺杂硅层之上；铁电薄膜，位于所述p型掺杂硅层之上；其中，所述n型掺杂硅层接地，所述p型掺杂硅层接控制信号，所述铁电薄膜接控制信号。本发明有效的将铁电薄膜与普通的硅基光调制器集成在一起，利用铁电薄膜极化时的场强，大幅度提升了光调制器中载流子浓度的变化范围及灵敏度，从而提升了光调制器的调制带宽。本发明可直接用于硅基光调制器，也可以用于马赫‑曾德尔型光调制器的两臂，后者可以进一步增大调制器的调制宽度。本发明结构简单，控制方便，工艺与CMOS兼容，很适合工业推广。

技术领域

本发明属于硅光子技术领域，具体涉及一种利用铁电薄膜极化效应增大调制带宽的新型高速硅基光调制器。

背景技术

随着智能设备的崛起和社交网络的普及，通信业务量呈现爆炸式增长。传统的电互联技术由于晶体管数量的增加和芯片吞吐量成倍增长面临着功耗过大和延时过高的问题，仅目前全球计算中心消耗的电量就占全球总发电量的0.8％。硅光子技术的发展，为解决这些问题提供了有效的途径。一方面，硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，而光波又是一种频率极高的电磁波(200-1000THz)，为信号的传输提供了非常大的带宽；另一方面，波分复用(wavelength division multiplex,WDM)又将通信带宽的利用率大幅度提升；此外，光通信还有延时小，发热少，抗电磁干扰等优势。因此，硅光子技术正成为信息科学技术的前沿和热点，包括美国、欧盟、日本等发达国家纷纷将硅光子技术列入科技战略规划，力争在新一轮的电子信息技术变革中占据优势。

硅光子技术的主要研究领域有光源、电光调制、光探测、光复用以及波导光纤耦合技术。目前商用的高速光调制器是基于镍酸锂、III-V族半导体等电光材料的，对于硅光子技术而言，需要引入新的材料，且与现有的CMOS技术不兼容。高速硅基光调制器是硅光子技术中的一大挑战，目前的研究有两个方向，一个是基于微环谐振腔的硅调制器，一个是基于等离子体色散效应的硅基光调制器，后者相对于前者而言，结构更加简单，体积更小，因此其发展也更受期待。等离子体色散效应是指半导体中自由载流子浓度发生变化时，其折射率和吸收系数发生变化的一种现象。目前有报道的一些基于等离子体色散效应的硅基光调制器，都是利用PN结中载流子浓度随外加电场的强度和方向变化而改变的原理，来电控光调制的目的的。然而，单纯的利用施加于PN结上的外加电场来调控载流子浓度的方法，载流子浓度的变化范围较小，对光的调制范围也较窄。目前此问题尚未得到解决。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大带宽硅基光调制器，用于解决现有技术中基于等离子体色散效应的硅基光调制器调制范围较窄的问题。本发明有效的将铁电薄膜与普通的硅基光调制器集成在一起，利用铁电薄膜极化时的场强，大幅度提升了光调制器中载流子浓度的变化范围及灵敏度，从而提升了光调制器的调制带宽。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大带宽硅基光调制器，包括：基底及其上的绝缘层；n型掺杂硅层，位于所述绝缘层之上；p型掺杂硅层，位于所述n型掺杂硅层之上；铁电薄膜，位于所述p型掺杂硅层之上；其中，所述n型掺杂硅层接地，所述p型掺杂硅层接控制信号，所述铁电薄膜接控制信号。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜的厚度为200～500nm。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜的取向为111取向。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜为铁酸铋薄膜。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜为锰酸镧薄膜。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜为铌镁钛酸铅薄膜。

优选地，所述铌镁钛酸铅薄膜中铌镁酸铅和钛酸铅的比例为60-70:30-40。