一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器

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1.本发明属于集成光子器件设计领域，具体为涉及一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器。

背景技术：

2.随着通信网络需要进行的运算、传输和处理的数据容量越来越大，相比传统的电子系统更高密度、更高速度和更大容量的光互连、光通信和光计算等技术越来越受到人们的重视。其中硅基光子集成系统因其高性能、低功耗、能够高密度集成以及和现有的标准互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,cmos)工艺标准互补兼容并可方便地与现有电子芯片集成的特点，在以上场景中都有着巨大的发展前景。其中，承担着将电信号转换成光信号功能的光调制器是硅基光子集成系统中不可缺少的重要元件。目前，硅基光调制器有很多不同方案，比如基于电光调制、基于热光调制和基于微机电系统等。其中热光调制器利用硅材料较大的热光系数(1.84
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)，通过微加热器引起硅波导的温度变化，从而改变硅材料的折射率，从而实现对光的调制。相较于其他方案，热光调制器有着调谐范围大、工作电压低、制作相对简单且成本低等优点，因此被广泛应用于硅基光子集成系统，尤其是需要大量集成硅基光调制器的场景中，如光学相控阵、光神经网络以及量子信号处理等。作为基础单元元件，性能参数优秀的热光调制器能显著提升最终硅基光子集成系统的整体性能，具有很大的实用价值。
3.透明导电氧化物(transparent conductive oxide,tco)，如商业最常用的掺锡氧化铟(tin doped indium oxide,ito)，主要在可见光波段有着90％及以上的高透光率和近似金属的导电性，同时具有很高的硬度和非常稳定的化学性质，被广泛用来作为显示屏、太阳能电池等的透明电极。此外，tco薄膜的制备方法有化学气相沉积、蒸发镀膜、溅射镀膜等。因其本身的高透光性、高通电性以及常规的制备方法，使其有很大潜力作为一种新的微加热器，成为一种新的高效率热光调制方案并实现大规模集成运用。但由于载流子浓度过高引起近红外波段的表面等离子体激元现象，商用tco在近红外波段(780～2500nm)表现出较强的反射，不利于其在片上通信波段的运用。掺氢氧化铟(iho)、掺钛氧化铟(itio)、掺钨氧化铟(iwo)、掺钼氧化铟(imo)、掺锆氧化铟(izro)、掺铈氧化铟(ico)等利用其他元素掺杂替代掺锡氧化铟，通过提高迁移率且降低载流子浓度的方式，在保证tco薄膜导电性能不变的情况下，优化提高了其在近红外波段的透过率，在片上通信波段的运用有着更大的潜力。
4.目前，热光调制器通常使用金属、掺杂硅材料和二维材料作为微加热器。但传统的金属微加热器因为金属对光的吸收会带来很大的传输损耗，只能放置在远离波导的位置进行加热，或者利用氧化硅等材料对金属与波导进行光隔离，这些都限制了热的传导和耗散，从而限制了这种方案的调制速率。掺杂硅材料微加热器则因为载流子浓度较高，通常会引入较大损耗。二维材料微加热器则因为制备需要机械剥离以及材料转移等工艺，与传统半导体工艺不兼容，同时转移情况也较不稳定，因此难以实现大规模的集成应用。综上所述，
为了适应硅基光子集成系统日益提升的对基础器件性能参数以及大规模集成能力的需求，研发一种高速、低损、低功耗以及和cmos工艺兼容的热调相移器具有很大的实际意义。

技术实现要素：

5.针对现有硅基热光调制技术存在的缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器，可以实现低功耗、低损耗以及高速率的硅基片上热光调制，且与传统的标准半导体cmos工艺兼容，有着大规模集成应用的潜力，属于一种新型的热调相移器。
6.本发明的基于透明导电氧化物的硅基热调相移器，采用以下技术方案：
7.一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器，包括作为基底的绝缘衬底上硅(silicon-on-insulator,soi)和热调相移器，热调相移器由波导和透明导电氧化物组成，透明导电氧化物覆盖在波导上，工作时，对透明导电氧化物通电，透明导电氧化物产热引起波导的温度变化，从而改变硅材料的折射率，进而实现对光的调制。
8.所述波导材料优选为硅，硅折射率较大，对光场有很强限制作用。波导尺寸优选220nm高，450nm～2000nm宽。
9.所述透明导电氧化物覆盖在波导上进行热调，透明导电氧化物与波导间可由极薄层(0～100nm)氧化硅等包层材料隔开，优选将透明导电氧化物直接覆盖在波导上，与波导直接接触。
10.优选地，所述透明导电氧化物材料为掺氢氧化铟(iho)、掺钛氧化铟(itio)、掺钨氧化铟(iwo)、掺钼氧化铟(imo)、掺锆氧化铟(izro)、掺铈氧化铟(ico)等在近红外波段(780～2500nm)有高透过率且具备导电性的金属氧化物。
11.优选地，所述透明导电氧化物在波导上的覆盖长度为1～100μm。
12.优选地，所述透明导电氧化物在波导上的覆盖厚度为10～100nm。
13.优选地，所述透明导电氧化物通过化学气相沉积、蒸发镀膜、溅射镀膜等方式直接在基片上生长，通过金属剥离(lift off)工艺进行图形化。
14.总体而言，本发明与目前常见的热光调制器相比，具有以下优势：利用透明导电氧化物在通信波段的高透过率，将其直接覆盖在波导上且避免了较大损耗，同时与波导的超近距离保证了相移器的低功耗以及高调制速率，优于金属微加热器。此外，透明导电氧化物薄膜可以通过化学气相沉积、蒸发镀膜、溅射镀膜等工艺和传统的lift off工艺直接在波导上进行图案化生长，工艺简单且和金属微加热器一样有着大规模集成的能力，优于掺杂硅微加热器和二维材料微加热器。
附图说明
15.图1是本发明实施例的基于透明导电氧化物的硅基热调相移器的结构示意图(a)、截面示意图(b)以及光场仿真图(c)；
16.图2是为了验证本发明实施例的性能所设计的马赫-泽德干涉(mach
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zehnder interferometer,mzi)结构示意图(a)、金相显微镜局部观察图(b)和覆盖iho材料前后测得的干涉谱(c)；
17.图3是本发明实施例中，在mzi结构单臂波导上覆盖35nm厚度，10μm长度iho材料
后，实验测量得到的响应时间和响应带宽，(a)为50khz的方波驱动信号，(b)为测得的响应信号，(c)为测得的响应带宽；
18.图4是本发明实施例中，在单片上一次集成分别覆盖35nm厚度，10μm、50μm和100μm长度iho材料的多个mzi结构调制器的局部显微图像(a)，以及它们的相移效率、响应时间和插入损耗的对比，(b)为相移效率的对比，(c)为响应时间和插入损耗的对比；
19.图5是本发明实施例中，采用金电极作为探针接触的mzi结构调制器的金相显微镜观察图(a)以及测量结果图，(b)为不同通电功率下的干涉谱，(c)为相移效率，(d)为50khz的方波驱动信号和测得的响应信号。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
21.本发明提供了一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器，包括作为基底的绝缘衬底上硅(silicon-on-insulator,soi)和热调相移器，热调相移器由波导和透明导电氧化物组成，透明导电氧化物覆盖在波导上，工作时，对透明导电氧化物通电，透明导电氧化物产热引起波导的温度变化，从而改变硅材料的折射率，进而实现对光的调制。
22.所述波导材料优选为硅，硅折射率较大，对光场有很强限制作用。波导尺寸优选220nm高，450nm～2000nm宽。
23.所述透明导电氧化物覆盖在波导上进行热调，透明导电氧化物与波导间可由极薄层(0～100nm)氧化硅等包层材料隔开，优选将透明导电氧化物直接覆盖在波导上，与波导直接接触。
24.具体地，所述透明导电氧化物材料为掺氢氧化铟(iho)、掺钛氧化铟(itio)、掺钨氧化铟(iwo)、掺钼氧化铟(imo)、掺锆氧化铟(izro)、掺铈氧化铟(ico)等在近红外波段(780～2500nm)有高透过率且具备导电性的金属氧化物。
25.具体地，所述透明导电氧化物在波导上的覆盖长度为1～100μm。
26.具体地，所述透明导电氧化物在波导上的覆盖厚度为10～100nm。
27.具体地，所述透明导电氧化物通过化学气相沉积、蒸发镀膜、溅射镀膜等方式直接在基片上生长，通过金属剥离(lift off)工艺进行图形化。
28.图1中的(a)是本发明实施例提供的基于透明导电氧化物的硅基热调相移器的结构示意图。图1中的(b)是本发明实施例提供的基于透明导电氧化物的硅基热调相移器的横截面示意图。实施例中使用的波导横截面积为w
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h＝550nm
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220nm，具体透明导电氧化物材料为掺氢氧化锡(iho)，在波导上覆盖厚度为d＝35nm。从图1中的(c)仿真结果可以看出，光场主要在波导中传输，因此相移器主要是通过热光效应改变硅的折射率进行调制。
29.图2是为了验证本发明实施例的性能所设计的mzi结构示意图(a)、金相显微镜局部观察图(b)和测得的干涉谱(c)。该热调相移器放置于mzi结构的一臂(调制臂)。mzi结构的另一臂(非调制臂)上覆盖着等长度和厚度的iho材料，以均衡两臂损耗，增大mzi结构的消光比。图2中的(b)中的实际器件上覆盖的iho材料长度为10μm。图2中的(c)是本发明实施
例中，在mzi结构单臂波导上覆盖10μm长度iho材料前后分别测得的干涉谱。通过对比两者可知，此时iho材料只引入了0.5db左右的传输损耗。调制臂两侧额外生长有35nm厚的120μm
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120μm的iho方块材料，便于实验测量时和金属探针接触。本发明实施例中35nm厚的iho薄膜在1550nm波长处透过率＞97％，方阻为80ω/sq。本发明实施例中是通过金属剥离(lift-off)工艺以及磁控溅射工艺，在波导上直接生长图形化iho材料。
30.图3是本发明实施例中，在mzi结构单臂波导上覆盖10μm长度iho材料后，实验测量得到的响应时间和响应带宽。其中图3中的(a)是50khz的方波驱动信号。图2中的(b)为测得的调制信号，其上升时间和下降时间分别为970ns和980ns。图3中的(c)展示了测得的3db带宽为385khz。相比传统的金属微加热器10～100μs量级的响应时间实现了高速的热光调制，在调制速率和带宽性能上有着显著提升。
31.图4中的(a)是本发明实施例中，在单片上一次集成分别覆盖10μm、50μm和100μm长度iho材料的多个mzi结构调制器的局部显微图像。图4中的(b)和(c)是不同覆盖长度下mzi结构调制器的相移效率、响应时间和插入损耗的对比。其中，10μm覆盖时，热调制器的半波功率最低，为9.6mw，对应的相移效率为0.0472nm/mw。其中，响应时间和插入损耗对比图是理论覆盖iho材料长度相同的多组器件的测量平均值和误差棒，较小的误差浮动说明了本发明优秀的集成性能，有着大规模集成应用的潜力。
32.图5中的(a)是本发明实施例中，用金电极代替相移器两侧的120μm
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120μm的iho方块材料用于实验测量时和金属探针接触的mzi结构调制器的金相显微镜观察图。波导上覆盖的iho材料厚度依旧为35nm，长度为10μm。图5中的(b)-(d)是相应的测量结果，半波功率为10.0mw，上升时间和下降时间分别为1.30μs和1.40μs。在功耗和相移效率方面和前述方案相近，响应时间略慢，但仍优于传统的金属微加热器。
33.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器，包括作为基底的绝缘衬底上硅和热调相移器，热调相移器包括波导和透明导电氧化物，其特征在于，透明导电氧化物覆盖在波导上，工作时，对透明导电氧化物通电，透明导电氧化物产热引起波导的温度变化，从而改变硅材料的折射率，进而实现对光的调制。2.根据权利要求1所述的硅基热调相移器，其特征在于，波导的材料为硅。3.根据权利要求1所述的硅基热调相移器，其特征在于，透明导电氧化物直接覆盖在波导上，与波导直接接触。4.根据权利要求1所述的硅基热调相移器，其特征在于，透明导电氧化物与波导间还包括厚度小于100nm的氧化硅。5.根据权利要求3或4所述的硅基热调相移器，其特征在于，透明导电氧化物的材料为掺氢氧化铟iho、掺钛氧化铟itio、掺钨氧化铟iwo、掺钼氧化铟imo、掺锆氧化铟izro、掺铈氧化铟ico中的任意一种。6.根据权利要求1所述的硅基热调相移器，其特征在于，波导尺寸为220nm高，450nm～2000nm宽。7.根据权利要求3所述的硅基热调相移器，其特征在于，透明导电氧化物在波导上的覆盖长度为1～100μm。8.根据权利要求3所述的硅基热调相移器，其特征在于，透明导电氧化物在波导上的覆盖厚度为10～100nm。9.根据权利要求1所述的硅基热调相移器，其特征在于，透明导电氧化物通过化学气相沉积、蒸发镀膜、溅射镀膜等方式直接在基片上生长，通过金属剥离工艺进行图形化。

技术总结

本发明公开了一种基于透明导电氧化物的硅基热调相移器，属于集成光子器件设计领域，包括作为基底的绝缘衬底上硅和热调相移器，热调相移器包括波导和透明导电氧化物，透明导电氧化物覆盖在波导上，通过通电产热引起硅波导的温度变化，从而改变硅材料的折射率，进而实现对光的调制。本发明利用透明导电氧化物在通信波段的高透光率和近似金属的导电性，实现了低损耗、低功耗、高速率的硅基片上热调。同时相移器的制备和透明导电氧化物微加热器的图形化工艺均为标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺和金属剥离(lift-off)工艺，因此本发明还有着便于集成应用的特点。发明还有着便于集成应用的特点。发明还有着便于集成应用的特点。