光调制器

1.本发明涉及一种光调制器，特别涉及一种空间光调制器，属于光电子器件技 术领域。


背景技术：

2.光调制器是一种利用电、热、机械等驱动方式来改变光信号的器件，在光信 息处理、光通信、成像、显示等领域具有重要应用。光调制器按光信号的传输方 式，可以分为光波导调制器和空间光调制器，前者是对波导中的光进行调制，后 者是对空间传输光进行调制。目前空间光调制器的实现技术主要包括电吸收调制、 电光调制、液晶和mems等技术。其中，液晶和mems调制的低速操作不能满 足高速调制的应用；电吸收型调制一般基于砷化镓量子阱材料，成本高，而且由 于整体结构往往需要数十层异质材料的外延，工艺复杂，而多层材料均匀性问题 亦限制了阵列大小，调制深度也受到限制；电光调制一般基于非线性晶体材料或 聚合物，器件体积大，驱动电压高。
3.2010年nano letters期刊第10卷第2111页报道了在氧化铟锡薄膜上形成平 板电容结构，在偏压下可以调节氧化铟锡和介质层界面处的电子浓度分布，导致 的界面层的折射率变化量高达1，有望获得有效的光调制。2012年nanophotonics期刊第1卷第17页报道了将氧化铟锡平板电容结构集成到硅波导上的波导型调 制器，获得了1db/um的调制效率，远超过基于硅、铌酸锂等传统材料的光调制 器。但空间型的光调制器由于被调制光与材料的作用强度不足，一直面临着调制 效率低的问题。2013年applied physics letters期刊第102卷编号221102的文章 报道了将氧化铟锡集成到金属纳米光栅表面的空间光调制器，仅观察到不到1％ 的调制深度。2016年nano letters期刊第16卷第5319页报道了将氧化铟锡集成 到金属纳米光栅和金属反射镜夹层中的空间光调制器，获得了20-30％的调制深 度。2014年optics letters期刊第39页第4978页报道了利用棱镜耦合激发氧化 铟锡平板电容结构的高局域场模式，获得了20％的调制深度。
4.然而，诸如前述的现有技术方案均存在需要制备成本高且产率低的纳米结构 或者额外的棱镜耦合方式来实现光调制的问题，而限制了大规模的应用和高集成 度微系统的实现。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种光调制器，以克服现有技术中的不足。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
7.本发明实施例提供了一种光调制器，包括衬底、导电氧化物层、介质层、金 属层；
8.所述衬底具有相背对设置的第一表面和第二表面，所述衬底的第一表面设有 至少一个槽，所述槽的槽壁包括沿设定方向相对设置的两个壁面，且两个所述壁 面之间形成85-95
°
的夹角；
9.所述金属层至少连续覆盖所述槽的槽壁；所述导电氧化物层和介质层叠设在 衬
底和金属层之间，并用于在所述衬底与金属层之间形成电连接；当使被调制光 由所述衬底的第二表面入射，且在所述衬底和金属层间施加指定偏压时，能够调 控所述光调制器对指定波长光的吸收，进而实现光信号的调制。
10.在一具体的实施方式中，所述槽的槽壁包括沿第一方向相对设置的两个第一 壁面和沿第二方向相对设置的两个第二壁面，所述第一壁面、第二壁面均倾斜设 置，且两个所述第一壁面之间以及两个所述第二壁面之间均形成85-95
°
的夹角， 所述第一方向与第二方向相互垂直。
11.在一具体的实施方式中，两个所述壁面之间形成的夹角角度为90
°
。
12.在一具体的实施方式中，所述衬底的第一表面设有多个所述的槽，多个所述 的槽沿第一方向或第二方向平行排列。
13.在一具体的实施方式中，相邻两个槽之间的间隙不超过该相邻两个槽中心距 离的10％。
14.在一具体的实施方式中，所述槽的槽口在设定方向上的宽度为1-100μm。
15.在一具体的实施方式中，所述导电氧化物层设置在介质层与金属层之间，或 者，所述介质层设置在导电氧化物层与金属层之间。
16.在一具体的实施方式中，所述导电氧化物层的材质包括金属氧化物。
17.在一具体的实施方式中，所述金属氧化物包括氧化铟锡、氧化锌、掺铝氧化 锌、掺镓氧化锌、氧化镉、掺铟氧化镉中的任意一种或两种以上的组合，但不限 于此。
18.在一具体的实施方式中，所述导电氧化物层的厚度为5-50nm。
19.在一具体的实施方式中，所述介质层的材质包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、 氟化镁、氧化铪、硒化锌中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
20.在一具体的实施方式中，所述介质层的厚度为5-50nm。
21.在一具体的实施方式中，所述金属层的材质包括金、银、铝、铜、钛中的任 意一种或两种以上的组合，但不限于此。
22.在一具体的实施方式中，所述金属层的厚度大于50nm。
23.在一具体的实施方式中，所述金属层的厚度为50-100nm。
24.在一具体的实施方式中，所述衬底包括硅衬底。
25.在一具体的实施方式中，所述金属层、导电氧化物层和介质层均连续共形覆 盖在衬底的第一表面。
26.在一具体的实施方式中，所述槽的槽壁与金属层配合形成的光反射结构能够 将从衬底第二表面入射光调制器的任意角度的入射光原路反射。
27.在一具体的实施方式中，所述衬底的第二表面还覆设有抗反射膜，该抗反射 膜用于降低第二表面的反射光，保证最终反射回去的光都是被导电氧化物电吸收 调制过的，该抗反射膜可以采用本领域技术人员已知的，其厚度以及其他参数可 以根据具体情况进行选择，在此不作具体的限定。
28.本发明实施例还提供了一种光信号调制方法，包括：
29.提供所述的光调制器；
30.使被调制光由衬底的第二表面入射所述光调制器，并在衬底和金属层间施加 指定偏压，从而调控所述光调制器对指定波长光的吸收，进而实现光信号的调制。
31.与现有技术相比，本发明的优点包括：
32.1)本发明实施例提供的一种光调谐器，通过在硅衬底上设置微米尺度的v 形槽结构来实现入射光在导电氧化物平板电容器的层结构中的强局域，从而避免 了现有技术对纳米结构或者耦合棱镜的依赖，降低了光调谐器的制作成本，有利 于光调谐器的大规模和小型化制作；
33.2)本发明实施例提供的一种光调谐器，在硅衬底上微米尺度、且呈90度夹 角的v形槽结构，并在v形槽结构表面覆设金属膜，从而可使全角度入射光原 路反射，进而简化了系统光路，并且两次反射作用有助于增加调制深度。
附图说明
34.为了更好的说明本发明的内容，以下结合附图对实施例做简单的说明，附图 是本发明的理想化实施例的示意图，为了清楚表示，放大了层和区域的比例，但 作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。本发明所示的实施例 不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，图中的表示是示意性的，不应 该被认为限制本发明的范围；其中：
35.图1是本发明一典型实施案例提供的一种光调制器结构侧面示意图；
36.图2a是本发明一典型实施案例提供的一种光调制器中一维排列的v形槽结 构的俯视示意图；
37.图2b分别是本发明一典型实施案例提供的一种光调制器中二维排列的v形 槽结构的俯视示意图；
38.图3是本发明一典型实施案例提供的一种光调制器采用的氧化铟锡材料在 不同电子浓度时介电常数随着波长的变化关系；
39.图4a是本发明一典型实施案例提供的一种光调制器的氧化铟锡平板电容器 的层结构在电子积累区域具有不同电子浓度时对不同偏振入射光的反射光谱；
40.图4b是本发明一典型实施案例提供的一种v形槽光调制器通过调节电子积 累层的电子浓度对p偏振光的调制结果；
41.图4c是本发明一典型实施案例提供的一种v形槽光调制器中的电场分布侧 视图。
具体实施方式
42.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发 明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
43.本发明实施例提供的一种光调制器，至少包括硅衬底和硅衬底上表面的槽， 以及，至少连续共形覆盖在所述槽的槽壁表面的导电氧化物层、介质层、金属层， 其中，所述导电氧化物层和介质层叠设硅衬底和金属层之间，并在硅衬底和金属 层间形成电连接，且所述导电氧化物层和介质层的上下层的相对位置可以调换； 所述硅衬底、导电氧化物层、介质层和金属层一起形成平板电容器的层结构，在 硅衬底和金属层之间施加偏压可以通过电容充电效应在导电氧化物层与介质层 之间形成电子积累；
44.当在硅衬底和金属层间施加偏压时，会在导电氧化物层靠近介质层的一侧形 成电子积累区域，不同偏压下的电子积累浓度不同，所述导电氧化物层中的电子 积累区域的
介电常数与电子积累的浓度相关，通过调节偏压并使得电子积累区域 的介电常数实部在指定波长处接近零时，此波长的入射光可被强局域到电子积累 区域中，并被强烈的吸收。
45.因此，当被调制光由硅衬底的下表面入射时，在槽的侧壁上经历两次反射， 即两次与上述平板电容器结构作用，在适当偏压下，指定波长的光被平板电容器 结构中导电氧化物层吸收，从而实现光信号的强度调制。
46.本发明实施例提供了一种光调谐器，采用在硅衬底与光入射面相背对的一侧 表面设置微米尺度的v形槽结构来实现入射光在导电氧化物平板电容器层结构 中的强局域，从而避免了现有技术对纳米结构或者耦合棱镜的依赖，促进低成本 大规模的应用和小型化；采用v形槽(优选夹角为90
°
的槽)结构，并通过在v形槽结构表面覆设金属膜可使全角度入射光原路反射，简化了系统的光路，并 且两次反射作用有助于增加调制深度。
47.如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明， 除非特别说明的之外，构成本发明实施例提供的一种光调制器的硅衬底、导电氧 化物层、介质层、金属层等均可以采用本领域技术人员已知的。
48.在一种较为具体的实施方案中，请参阅图1，一种光调制器，包括：
49.硅衬底101，所述硅衬底101的上表面(即前述第一表面，下同)设置有多 个v形槽102，相邻两个v形槽之间的间隙为g、相邻两个v形槽的中心距离 为p；以及，
50.依次覆设在v型槽102表面的导电氧化物层103、介质层104和金属层105， 所述导电氧化物层103、介质层104叠设在硅衬底101和金属层105之间，并在 硅衬底101和金属层105间形成电连接，需要说明的是，导电氧化物层103和介 质层104在硅衬底101和金属层105之间的上下层位置可以调换(如图1)。
51.请参阅图1和图2a，多个v形槽可以沿同一个方向平行排列分布，其中， 每个v形槽的两个侧壁102-a和102-b相对设置，且该两个侧壁102-a和102-b 的夹角为θ，所述θ为85-95
°
，优选为90
°
。
52.请参阅图2b，多个v形槽可以沿两个垂直方向分别平行排列分布，其中， 每个v形槽的两组侧壁102-1和102-3、102-2和102-4的夹角均为θ，θ优选为 90度，实际制备过程中可能产生误差，偏离此角度。
53.请参阅图3，氧化铟锡是一种典型的导电氧化物材料，其介电常数与电子浓 度有关，并符合drude模型：
[0054][0055][0056]
其中，ε
∞
为高频介电常数，ω
p
为等离激元振荡频率，γ为材料的阻尼常数， n0为电子浓度，由式(1)可以看到介电常数ε与ω
p
有关，而由式(2)可以看出 ω
p
与电子浓度有关，改变电子浓度可以调节ω
p
，从而改变材料的介电常数ε。
[0057]
图3示出了当电子浓度分别为1*10
19
cm-3
、1*10
20
cm-3
、3*10
20
cm-3
、5*10
20
cm-3
、 7*
10
20
cm-3
时，氧化铟锡的介电常数实部和虚部在不同波长的数值；由图3可以 看到，不同电子浓度下氧化铟锡的介电常数的实部在不同波长处变为0；例如， 当电子浓度为7*10
20
cm-3
时，氧化铟锡的介电常数实部在1500纳米处变为0；根 据界面处电位移矢量的连续条件，零介电常数材料中的垂直电场分量将变得无穷 大，即实现了电磁场的强局域，可以极大提高光吸收、光非线性等特性。
[0058]
下面将结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0059]
实施例1
[0060]
请参阅图1，一种光调制器，在硅衬底101上的层结构自下而上依次为v形 槽102、介质层104、导电氧化物层103和金属层105；其中，多个v形槽102 沿同一个方向平行排列，相邻两个v形槽102之间的间隙为0、相邻两个v形 槽102之间的中心距离为10μm，且每一v形槽相对两侧壁的夹角为90
°
；介质 层104为氧化铪，厚度为10nm；导电氧化物层103为氧化铟锡，厚度为10nm； 金属层105为金膜，厚度为200nm。
[0061]
具体的，在金属层105和硅衬底101之间施加偏压时，会在氧化铟锡103 和氧化铪104之间形成电子积累层，电子积累层的厚度约为1nm。
[0062]
具体的，在硅-氧化铟锡-氧化铪-金这样的四层平板电容器层结构中，当s偏 振和p偏振光呈45
°
方向分别入射时，计算的反射光谱如图4a所示；由图a可以 看到，s偏振光因为缺乏与层结构界面垂直的电场分量，因而无法激发出强局域 在电子积累层的电磁场模式，因此反射光谱在电子积累层的的不同电子浓度下没 有明显差异；而p偏振光在两个不同电子浓度下1*10
20
cm-3
(on)、6.5*10
20
cm-3 (off)时反射光谱呈现了较大差异，尤其在1520nm处反射率从89％降到了36％， 实现了显著的电驱动的光强调制。
[0063]
具体的，考虑到p偏振光入射到v形槽的实际结构会经历两次反射后原方 向返回，其反射光谱在不同偏压导致的电子积累层的电子浓度下的结果如图4b 所示，由图4可以看出，在不同波长处，通过调节电子浓度均可以获得不同程度 的光强调制，尤其在1520nm处获得了82％的相对调制深度；不仅如此，选择适 当的偏压可以在宽光谱范围内获得优异的光调制性能，例如，当电子积累层的电 子浓度在1*10
20
cm-3
(on)和5*10
20
cm-3
(off)间变化时，在1720nm处也获得 75％以上的相对调制深度；图4c示出了电子积累层的电子浓度为6.5*10
20
cm-3
时， 1520nm波长处v形槽中的电场分布侧视图，由图4c可以看出，电场分量强局 域到了电子积累层中，从而被高效吸收，因此获得了上述优异的光调制性能。
[0064]
本发明实施例提供的一种光调谐器，通过在硅衬底上设置微米尺度的v形 槽结构来实现入射光在导电氧化物平板电容器的层结构中的强局域，从而避免了 现有技术对纳米结构或者耦合棱镜的依赖，降低了光调谐器的制作成本，有利于 光调谐器的大规模和小型化制作。
[0065]
本发明实施例提供的一种光调谐器，在硅衬底上微米尺度的v形槽结构， 并在v形槽结构表面覆设金属膜，从而可使全角度入射光原路反射，进而简化 了系统光路，并且两次反射作用有助于增加调制深度；以及，本发明实施例提供 的一种光调谐器，采用导电氧化物平板电容器来实现光调制，提高了光调制器的 调制效率(明显高于硅、铌酸锂等材料)。
[0066]
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟 悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的 保护范围。凡
根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。