一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器的制作方法

1.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：

2.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。
3.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
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.一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。
8.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。
9.二氧化钒纳米膜的厚度为10-50nm。
10.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。
11.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。
12.(1)利用电子束曝光工艺加工跑道谐振腔的掩膜版。
13.(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。
14.(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。
15.应用：入射光照射在左侧耦合光栅上，在光耦合进直波导后，光在直波导与跑道型环形腔内传输，当不通电即氧化钒纳米线不发生相变时，对光没有调制作用，此时光通过右侧耦合光栅输出。此时相当于开关中的开。当外接电源接通后， vo2加热相变并导致其光学特性发生变化；此时，vo2折射率会发生变化，与直波导接触部分的空间折射率发生变化，在直波导内传输的光相位被调制。在环形腔内循环的光与直波导内被调制的光产生干涉相长、干涉相消，所以在输出端测得光的透过率大幅降低，此时相当于开关中的关。在外接电源关闭后，氧化钒迅速驰豫回半导体相，此时又回到开关的开状态，此为一个循环。
16.本发明与其他片上集成的氧化钒薄膜光调制器相比，最明显的优势在于使用二氧化钒纳米线进行调控，如图4所示。氧化钒纳米线是在几十纳米直径的碳纳米管上镀上氧化钒，所以相比于传统的氧化钒薄膜，体积更小。即相变的速度更快，意味着调制速度的提高，同时激发相变所需的电压更小，即能耗更低。实现了具有低功耗、调制速率快的光调制器。
17.优点和积极效果：
18.二氧化钒相比于其他二维材料，具有以下几个优点。
19.(1)相变响应可以达到亚ps量级。
20.(2)能够在ps量级驰豫回半导体相。
21.(3)诱导相变方式多样。
22.(4)更容易实现快速的片上器件调控。
附图说明
23.图1为跑道型谐振腔结构示意图；
24.图2环形腔光调制器结构设计图与sem图。
具体实施方式
25.下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
26.实施例1
27.制备方法，包括以下步骤：
28.(1)采用微纳加工工艺制作跑道型谐振腔。典型的工艺流程为，涂胶，旋涂，电子束曝光，显影定影，反应离子束刻蚀，制备跑道型谐振腔。
29.(2)利用磁控溅射法，在碳纳米管上表面沉积二氧化钒薄膜。典型的二氧化钒薄膜条件为49.7sccm氩和0.3sccm氧气,溅射压强0.55pa，溅射功率60w，溅射时间3min。在完成溅射后，样品会放入炉子中退火，典型的退火条件为低压氧气退火(氧气压强3
×
10-2
mbar)，温度450℃，退火时间10min。
30.(3)在显微探针台下，将单根vo2纳米线转移至跑道型谐振腔直波导下方即完成光调制器的制备。
31.利用有限元分析法(comsol)对结构进行模拟，全通型微环结构使用soi波导横截面结构如图1所示，顶层si厚度220nm，埋氧层厚度3μm，直波导宽度450nm，跑道型微环半径5μm，微环与直波导间距为100nm。耦合区域3 μm，下方vo2长度2μm。
32.得到相变前后光调制器的透过谱进行对比，在通信波段即1540nm处，调制深度达到43％，即出射光的强度变化了43％，开关对比度为0.43。


技术特征：
1.一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。2.按照权利要求1所述的一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器，其特征在于，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。3.按照权利要求1所述的一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器，其特征在于，二氧化钒纳米膜的厚度为10-50nm。4.按照权利要求1所述的一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器，其特征在于，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。5.制备权利要求1所述的一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器的方法，其特征在于，包括以下步骤：(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。6.权利要求1所述的一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器的应用，其特征在于，入射光照射在左侧耦合光栅上，在光耦合进直波导后，光在直波导与跑道型环形腔内传输，当不通电即氧化钒纳米线不发生相变时，对光没有调制作用，此时光通过右侧耦合光栅输出。此时相当于开关中的开。当外接电源接通后，vo2加热相变并导致其光学特性发生变化；此时，vo2折射率会发生变化，与直波导接触部分的空间折射率发生变化，在直波导内传输的光相位被调制。在环形腔内循环的光与直波导内被调制的光产生干涉相长、干涉相消，所以在输出端测得光的透过率大幅降低，此时相当于开关中的关；在外接电源关闭后，氧化钒迅速驰豫回半导体相，此时又回到开关的开状态，此为一个循环。

技术总结
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。能够在ps量级驰豫回半导体相。


技术研发人员：富聿岚 宋志成 马赫 张新平
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.08.27
技术公布日：2022/1/14