基于TCO材料的非对称合解波芯片功率调节单元

基于tco材料的非对称合解波芯片功率调节单元
技术领域
1.本发明公开基于tco(transparent conducting oxide，透明导电氧化物)材料的非对称合解波芯片功率调节单元，涉及光通信和集成光电子器件技术，属于光学元件、系统或仪器的技术领域。


背景技术：

2.随着5g、大数据、视频直播、人工智能的蓬勃发展，接入网和承载网的数据量呈现爆炸式增长，传统的接入网传输设备面临技术挑战。目前流行的做法是将过去用于骨干网的传输设备应用到接入网和承载网，即“相干下沉”，该方案的主要问题是成本高、技术难度大、易受雷电干扰。为有效增加光纤利用率，将传统工作于c波段的波分复用（wavelength division multiplexing，wdm）技术的工作波段进一步拓展，可极大增加系统容量。
3.为有效拓展工作波段，需要研究对应的合解波技术，实现覆盖o e s c l波段。由于光纤内传输的光波在o e s c l波段的传输损耗不均匀，需要研究非对称合解波技术和器件。传统的薄膜型合解波单元和跳片可实现一定波段内的非对称合解波，但是该方案需要尺寸较大的薄膜器件，另外需要结合跳片使用，导致整体稳定性一般，性能需要进一步提升。而且，目前报道的非对称合解波器件无法实现每个波长输出功率的动态可调，大大限制了系统的灵活性和可重构程度。
4.为得到输出波长透过率可调的智能非对称合解波芯片，需要提出新型工作机理、新材料和新结构，以实现每个波长特性的精细可调，进而实现全波段非均匀输出。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供基于tco材料的非对称合解波芯片功率调节单元，引入透明导电氧化物材料，构建等离子体金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor，mos）效应，实现非对称合解波芯片全波段非均匀输出且动态调整每个工作波长输出功率的发明目的，解决薄膜型非对称合解波芯片尺寸大、稳定性差以及不可动态调整各工作波长输出功率的技术问题。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：基于tco材料的非对称合解波芯片功率调节单元，包括：波导层、透明导电氧化物材料层、氧化物层和金属层，波导层形成在下包层的上表面，透明导电氧化物材料层、氧化物层和金属层形成在上包层与波导层之间，透明导电氧化物材料层覆盖波导层的上表面且延伸有用于连接第二tin金属电极的表面，氧化物层覆盖透明导电氧化物材料层的上表面，金属层覆盖氧化物层的上表面，透明导电氧化物材料层和金属层分别通过过孔与上包层上的金属电极连接；外加电信号同时作用于透明导电氧化物材料层和金属层，实现mos效应调节，从而控制透明导电氧化物材料的折射率虚部大小，通过mos模式和输出波导阵列内工作模式互作用进而动态控制波导阵列内部的光功率大小。
7.一种智能非对称合解波芯片，包括：180度弯曲输入波导、t型输入耦合器、相位延
迟阵列波导、t型输出耦合器、输出波导阵列、功率调节单元及闭环反馈控制系统；180度弯曲输入波导与t型输入耦合器连接，相位延迟阵列波导位于t型输入耦合器和t型输出耦合器之间，t型输出耦合器的输出部分与输出波导阵列连接，输出波导阵列每个通道皆布置功率调节单元。所提出的非对称合解波芯片基于光子集成技术构建，包含由下至上依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层，180度弯曲输入波导、t型输入耦合器、相位延迟阵列波导、t型输出耦合器、输出波导阵列均形成于芯层。180度弯曲输入波导输入一组波长不同的光信号，相位延迟阵列波导对各波长的光信号进行相位延迟处理，输出波导阵列各个通道上的功率调节单元分别对一种波长的光信号进行功率调节，输出波导阵列各个通道实时输出经功率调节后的各波长的光信号。
8.180度弯曲输入波导包含输入直波导、弯曲波导和弧形波导依次连接形成，可实现输入多波长光功率超低损耗传播，并可大大降低芯片尺寸。
9.t型输入耦合器和t型输出耦合器基于t型波导结构，可降低结构尺寸，实现多波长分路和合路。
10.相位延迟阵列波导由多个不同长度的弧形波导构成，每个弧形波导对一种波长的光信号进行相位延迟处理，可针对不同输入波长提供不同的相位延迟。
11.闭环反馈控制系统输入输出波导阵列每个通道波长的能量信号，比较输出波导阵列每个通道波长的能量信号与标定功率，通过控制算法生成加载在透明导电氧化物材料层和金属层上的电信号，进而调节输出波导阵列每个通道输出的光功率大小。
12.非对称合解波芯片可实现o e s c l全波段内部多波长不等损耗分波，且波长输出特性可调；该芯片内部工作模式可以为横电模，也可以为横磁模；模阶数可以为基模，也可以为高阶模。
13.作为本发明的进一步改进，非对称合解波芯片可基于绝缘体上硅、硅上二氧化硅、inp、gaas、聚合物、铌酸锂、金刚石、硫系材料平台中的任意一种材料平台。
14.作为本发明的进一步改进，透明导电氧化物材料可基于铟锡氧化物、石墨烯、氧化镓锌、二氧化钒材料中的任意一种材料。
15.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：（1）本发明的功率调节单元通过引入基于透明导电氧化物材料的mos效应，只需要几十甚至十几fj/bit的功耗，可实现ghz甚至thz功率调节速率，将该功率调节单元用于非对称合解波芯片透过率的调节，可以使得非合解波芯片覆盖光通信系统中o e s c l全波段，实现全波段能量非均衡波分、功率动态可调，且该功率调节单元对现有的光子集成型非对称合解波芯片具有普适性，采用该功率调节单元的非对称合解波芯片的可扩展性强，可实现两波长至多波长任意选择，大大提高wdm系统信道数目和光纤利用率。
16.（2）本发明结合闭环控制系统实现全波段光功率的任意可调，为可重构智能光网络提供核心元部件，所提出的调节方法具有较低功耗，可实现高响应时间和快速调节。
17.（3）本发明的功率调节单元配合t型输入耦合器、t型输出耦合器，可大大提高每个波长透过率的调节精确度，误差更小。
18.（4）本发明的功率调节单元与非对称合解波芯片可集成，因此，基于光子集成技术可提供集成度高、性能优异且稳定、工艺成熟的非对称合解波芯片。
19.综上，本发明通过引入新机理（mos效应）、新材料（透明导电氧化物材料）、新结构
（多层mos结构），实现高性能非对称合解波芯片。
附图说明
20.图1是本发明智能非对称合解波芯片的结构示意图。
21.图2是本发明中功率调节单元的三维结构示意图。
22.图3是本发明中功率调节单元的二维截面结构示意图。
23.图4是本发明中闭环反馈控制系统的框图。
24.图5是本发明智能非对称合解波芯片的输出波谱图。
25.图中标号说明：001、180度弯曲输入波导，002、t型输入耦合器，003、相位延迟阵列波导，004、t型输出耦合器，005、输出波导阵列，006、功率调节单元阵列，007、下包层，008、上包层，601、透明导电氧化物材料层，602、氧化物层，603、金属层，604、波导层，901、第一tin金属电极，902、第一过孔，903、第二tin金属电极，904、第二过孔。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
27.如图1、图2、以及图3，本发明提供一种基于透明导电氧化物材料的智能非对称合解波芯片，可实现o e s c l波段内多个波长非均匀输出的动态调整。
28.如图1所示，该智能非对称合解波芯片包括：180度弯曲输入波导001、t型输入耦合器002、相位延迟阵列波导003、t型输出耦合器004、输出波导阵列005、功率调节单元阵列006及闭环反馈控制系统（如图4所示）；180度弯曲输入波导001与t型输入耦合器002连接，相位延迟阵列波导003位于t型输入耦合器002和t型输出耦合器004之间，t型输出耦合器004的输出部分与输出波导阵列005连接，输出波导阵列005的每个通道皆布置一个功率调节单元，输出波导阵列005各通道上布置的功率调节单元组成功率调节单元阵列006。
29.如图1所示，本发明由180度弯曲输入波导001输入λ1至λn共n个波长的光信号，输出波导阵列005每个通道分别输出λ1至λn中一个波长的光信号；基于功率调节单元阵列006可实现λ1至λn波长的每个波长输出功率的动态可调。本实施例以λ1至λ8为例，分别对应于λ1=1431nm、λ2=1451 nm、λ3=1471 nm、λ4=1491 nm、λ5=1511 nm、λ6=1531 nm、λ7=1551 nm、λ8=1571 nm；其中，λ1和λ2位于e波段、λ3至λ5位于s波段、λ6和λ7位于c波段、λ8位于l波段。
30.如图2、图3所示，每个功率调节单元都包括：波导层604、透明导电氧化物材料层601、氧化物层602和金属层603，波导层604基于硅材料制备而成且与非对称合解波芯片波导层共形形成于芯层，波导层604形成在下包层007的上表面，透明导电氧化物材料层601、氧化物层602和金属层603形成在上包层008与芯层之间，透明导电氧化物材料层601覆盖波导层604的上表面且延伸有用于连接第二tin金属电极903的表面，氧化物层602覆盖透明导电氧化物材料层601的上表面，金属层603覆盖氧化物层602的上表面，透明导电氧化物材料层601通过第二过孔904与上包层上的第二tin金属电极903连接，金属层603通过第一过孔902与上包层上的第一tin金属电极901连接，下包层007和上包层008基于二氧化硅材料制备而成，波导层604基于硅材料制备而成，透明导电氧化物材料层601基于ito材料制备而成，氧化物层602基于hfo2材料制备而成，金属层603基于铜材料制备而成；外加电信号通过
tin金属电极施加到透明导电氧化物材料层601和金属层603，电压大小由0v至2.4v动态调整，透明导电氧化物ito材料的折射率在1.960 0.003i和0.479 0.646i之间动态可调。
31.如图4所示，外加闭环反馈控制系统，接收输出波导阵列每个波长的输出功率大小，进而比较其与标定功率大小关系，从而输出控制信号至透明导电氧化物材料层和金属层，实现每个波长功率动态调控，智能自发开始和结束。
32.由图5所示的智能非对称合解波芯片的输出波谱特性可知，λ1至λ4这4个波长光信号的输出损耗分别为0.5db、0.9db、1.3db、1.8db，λ5至λ8波长光信号的输出损耗皆为2db，验证了采用本发明提出的功率调节单元实现的智能非对称合解波芯片可实现每个波长的功率调节。
33.综上所述，本发明提供了一种基于透明导电氧化物材料的智能非对称合解波芯片，可以覆盖光通信系统中o e s c l全波段，实现全波段能量非均衡波分、功率动态可调。通过引入基于透明导电氧化物材料的mos效应，实现超低功耗和超高功率调节速率。基于光子集成技术，所提出的非对称合解波芯片具有集成度高、性能优异且稳定、工艺成熟等优点。结合闭环控制系统，所提出的芯片可实现全波段、光功率任意可调，为可重构智能光网络提供核心元部件。所提出的智能非对称合解波芯片的制备材料可拓展为其它材料（包括但不限于硅上二氧化硅、inp、gaas、聚合物、铌酸锂、金刚石、硫系等材料）。本发明展示的是8个波长的解波功能，基于该结构同样可实现合波功能。本发明展示的仅是8个波长层面的芯片结构，可根据本发明由8个波长扩展至更多波长层面，实现更丰富的非对称合解波效果。
34.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。