[发明专利]一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器

说明书

一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器，属于光调制器技术领域。包括以下结构：在直波导的一侧为跑道型谐振腔，在直波导的另一侧复合有一层二氧化钒纳米膜，二氧化钒纳米膜的位置位于对应的耦合区域；进一步二氧化钒纳米膜沿直波导长度方向的尺寸不大于耦合区域对应的尺寸。本发明相变响应可以达到亚ps量级，能够在ps量级驰豫回半导体相。

技术领域

本发明属于光调制器技术领域，尤其涉及一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器。

背景技术

随着光通信技术的飞速发展，高密度集成、高可靠性、智能化和低成本的集成光互连网络成为光通信系统的主要发展方向，光互连代替电互连成为了一种必然趋势。由于光子器件可以突破摩尔定律的限制，在增加数据传输量和传输速率的同时，还具有节省功耗、防止频率串扰的优点；不仅能保证长距离互连的密度，数据传输的准确性，还能实现超小尺寸器件的大规模集成，成为了目前国内外的研究热点。

绝缘体上硅(SOI)材料的高折射率差、光场局域能力强、波导的弯曲损耗小，有利于制备超小尺寸的器件结构。此外，材料与工艺兼容，可实现集成光子器件的高密度集成、超小型化、批量化生产。基于材料的光学谐振腔在滤波、光开关、调制器、探测器等集成光互连网络主要部件中具有广泛应用

最近，基于二氧化钒(VO₂)相变原理调制激光相位成为光调制器设计的新思路。在热驱动下，VO₂在68℃附近经历金属-绝缘体的相变，并伴随着电子结构和晶格结构的变化相变时，相应的光学特性如折射率等也相应发生变化。VO₂还具有能量转换效率高，相变速度极快，与微加工工艺兼容性好和性能稳定等优点。

目前进一步优化基于硅基波导的光调制器的调制速率是国内外的研究热点。

发明内容

本发明选用跑道型谐振腔，相比环形谐振腔，耦合区域更长，与二氧化钒纳米线接触面积更大，使得二氧化钒相变前后折射率的变化能够调控波导内光的相位。同时由于纳米线体积更小，所以相比传统的相变调制器的功耗更低，调制速率更快。

一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器，其特征在于，包括以下结构：在直波导的一侧为跑道型谐振腔，在直波导的另一侧复合有一层二氧化钒纳米膜，二氧化钒纳米膜的位置位于对应的耦合区域；进一步二氧化钒纳米膜沿直波导长度方向的尺寸不大于耦合区域对应的尺寸。

直波导和跑道型谐振腔采用的为Si，跑道型谐振腔与直波导相邻的一侧的直线部分与直波导平行有间距。

二氧化钒纳米膜的厚度为10-50nm。

其中，为了便于后续测试时，入射光进行光栅耦合，在波导上设计了光栅。光栅周期为630nm，占空比为570:60，光栅槽深220nm。在这种方式中，入射光在结构表面通过衍射耦合进波导。这种面耦合法是目前硅基光波导与光纤耦合方式中耦合效率最高的方式之一。

制备方法本发明将通过二氧化钒纳米线与跑道型谐振腔相结合实现具有低功耗、调制速率快的光调制器。

(1)利用电子束曝光工艺加工跑道谐振腔的掩膜版。

(2)利用感应耦合等离子体刻蚀技术，通过等离子体与被刻蚀样品的化学和物理反应来刻蚀硅，形成跑道型谐振腔结构。

(3)利用磁控溅射镀膜技术，在碳纳米管上沉积一层二氧化钒，将二氧化钒纳米线转移至跑道型谐振腔耦合区域部分对应的直波导另一侧上，利用外接电极进行电加热相变。