一种双波导耦合式的等离子电光调制器的制作方法

本发明涉及电光调制器领域，具体涉及一种双波导耦合式的等离子电光调制器。

背景技术：

片上网络处理器可以方便集成和扩展众多处理器内核，处理器内核之间的通信容量大，因此，片上网络处理器具有很强的可扩展性和处理能力。在设计和制造高性能处理时，当前许多处理器生产商都采用的片上网络这样体系架构设计制造高性能处理器。但是电学片上网络处理器的通信网络不可避免地带来功耗大，通信延迟等问题。集成光电器件和光波导的工艺水平的提高，片上光网络能够有效地解决电学网络中的串扰、带宽小、通信延迟等问题，因此，当前片上光网络成为解决多核处理器中通信问题最有效的途径之一。片上光网络的研究者提出了各种各样的拓扑结构，如2d4×4mesh、2d4×4torus\octagon\3dmesh等。

其中，ornoc采用wavelengthdivisionmultiplexing(简称：wdm)方式寻址，对于处理器内核数量不多的情况，由于其不需要路由转发，大大减少了路由延迟，在高速数据单向传输和实时性要求高的情况下，如高速数据采集系统、高性能实时控制系统，采用ornoc的片上光网络处理器具有明显的优势。

例如具有八个处理器内核的ornoc片上网络处理器，处理器内核之间通过环形光波导进行通信，环形波导可以为一到多条光波导构成，采用波分复用的形式可以大大提高通信容量，增加多条波导，可以翻倍地增加通信容量。处理器内核之间的通信过程中，处理器内核之间需要通信时，发送端输出电学信号，电信号被放大或者变成热量去控制电光调制器通，相对应波长的光学信号将会被电光调制器调制，接收端相对应的光学滤波器将收到该波长的光信号，接着pd光电转换器将光学信号还原为电学信号，接收端收到发送端发来的电学信号。其中，电光调制器的性能参数在ornoc片上网络中至关重要。

现有的由微环谐振器和mach-zehndermodulato(简称：mzm)光调制器构成。mach-zehndermodulator和微环谐振器电光调制器的尺寸大通常在几十um，调制速率一般在几十g，微环谐振器调制器可以将尺寸做的较小，但是其折射率容易受温度影响，因此热稳定性差。本文提出一种具有双波导耦合式的等离子电光调制器，能够解决上述技术问题，并适用于ornoc拓扑结构的片上光网络。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的尺寸与平均耦合效率、消光比性能不能兼容的技术问题。提供一种新的双波导耦合式的等离子电光调制器，该双波导耦合式的等离子电光调制器具有平均耦合效率、消光比、尺寸均衡的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种双波导耦合式的等离子电光调制器，连接于片上光网络，所述双波导耦合式的等离子电光调制器包括sio2基，sio2基上刻蚀三条波导参数一致的si波导，外侧的si波导用于输入激光，另外一侧的si波导用于传输调制好的激光信号并连接片上光网络；位于中间的si波导的上方沉积有第一hfo2层、ito层、第二hfo2层及导体层；所述导体层施加阳极电压，位于sio2基上方的si波导面用于施加阴极电压。

本发明的工作原理：通过在sio2基上刻蚀三条si光波导，然后在中间si光波导上方沉积类似“三明治”hfo2夹层的ito薄膜，通过调控ito积累层中载流子浓度以改变中间岛形介质的有效折射率，输入的高速电信号有效地控制光信号的“on”和“off”两种状态，实现将高速电信号调制为光信号，光信号从输入波导耦合至环形波导，特别适用于ornoc体系结构的片上光网络处理器。

上述方案中，为优化，进一步地，所述si波导为脊型si波导。

进一步地，所述导体层为au层。

进一步地，所述脊型si波导的高度为透视谱窗口发生移动的高度。当改变si光波导高度时，发现透视谱窗口发生移动，可以做成wdm模式以提高通信容量。

进一步地，所述片上光网络为ornoc拓扑结构的片上光网络。

进一步地，沉积采用喷溅工艺方法。

进一步地，所述脊型si波导的宽度wg＝400nm，相邻si波导之间的间距wgap＝150nm，位于两侧的两条脊型si波导的波导高度hg＝180nm，位于中间的脊型si波导高度hig＝180nm，第一hfo2层的厚度hig＝15nm、ito层厚度hhfo＝20nm、第二hfo2层厚度hig＝15nm、au层厚度hau＝500nm及脊型si波导长度lcoupling＝8500nm；所述双波导耦合式的等离子电光调制器的工作波长为1400nm-1600nm，中心波长为1550nm。

根据yariv的微扰理论，可以将耦合系统当成一个受到某种微扰的理想波导，则介质光波导中的波动方程为：

在微扰作用下，波导内的介质的极化强度p发生了微扰变动，可以表示为：

p(r，t)＝p0(r，t)+ppert(r，t)；

其中，p0(r，t)代表了不存在扰动时波导中介质的极化强度；ppert(r，t)代表耦合波相关的各种扰动引起的附加极化强度。

由此，推导出ex、ey和ez场分量为：

将存在扰动的波导中的光场展开为波导中所有可能模式的电磁场的线性叠加，根据各模式波场之间的正交性，在模式耦合导致的波场幅度“缓变”的条件之下，经过分析推导计算出：

其中，左边的两项分别代表一个-z方向传播的波和一个+z方向传播的波和分别为两个方向第s阶模式波的振幅函数。

本发明的电光调制结构可以将其看成如图6的两根相互靠近的波导a、b。两根波导各自的折射率分别为na和nb，当两个波导距离足够远时，没有发生耦合，其波场分别为和各自的传播常数为βa和βb。当两个波导距离足够近时，发生了耦合现象，波场可以近似地表达为两个无扰动时波场的和：

计算出扰动极化强度ppert(r，t)为：

其中，n(x)是具有耦合的波导的折射率分布函数。可计算得到耦合方程：

其中m代表耦合的波导中，波的传输系数相对于无耦合波导的βa和βb将变化到βa+m和βb+m，耦合系数为：

计算出，a、b波导的导波模间的传输常数相差为：

2δ＝(βb+mb)-(βa+ma)；

其中，δ称为相位失配因子。

模式耦合导致的波能量转移，只有在接近匹配时，即δ＝0时，才能发生耦合。

假设在z＝0处只有波导b存在单模光传播，微扰发生在z＞0区域，即

b(0)＝b0，a(0)＝a0；

波导a、b内光波能量分别用pa＝|a(z)|²和pb＝|b(z)|²来表示，根据能量守恒原则，可得：

当a、b两条波导的尺寸、折射率等结构及其材料参数相同时，耦合系数有：kba＝kab，mab＝mba，因此有：

上式中k²＝|kab|²。波导a、b中所携带的能量分别为：

pb(z)＝p0-pa(z)；

上式中p0＝|b(0)|²为波导b的输入能量。

在相位匹配时，即两个波导的传播常数相等的情况下，传输距离为l＝π/2k时，能量完全从波导b中转移到波导a中。

本发明中的激活材料-氧化铟锡(indiumtinoxide，ito)是具有介电常数电调特性的透明导电氧化物(transparentconductoroxides,tcos)，与硅基金属-氧化物-半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)具有类似场效应，当外加电压作用时，tcos材料层在与介质层接触的界面处可以迅速形成载流子积累区或者耗尽区，通过外加偏压可调控积累区或耗尽区载流子的浓度，进而实现tcos介电常数(折射率)的改变。当tcos材料层介电常数实部接近零时，定义其为介电常数近零态(epsilon-near-zero,enz)。介电常数近零态能极大程度上增强光场与电光材料层的重叠积分提高光吸收调制效率，因此大多数基于tcos材料的电光调制器通常采用狭缝波导或混合表面等离激元波导结构来构建mos电容器结构，并通过施加适当电压以获得tcos材料介电常数近零态，从而实现电吸收调制。其介电常数符合drude模型：

上式中ε∞为高频介电常数(ε∞＝3.9)，nito是ito材料的电子浓度，ω是角频率，γ是载流子散射率(γ＝1.8×1014rad/s)，m^*是载流子有效质量(m^*＝0.35m0，m0为电子质量，m0＝9.31×10^-31kg)，q是电子电荷(q＝1.6×10^-19c)，ε0是自由空间介电常数(ε0＝8.85×10^-12f/m。

为了计算ito载流子浓度受电压控制的变化，本发明采用了以下模型来进行计算：

上式中n0＝1×10^-19，是ito的固有载流子浓度。为hfo2厚度，本设计而hacc是hfo2在ito表面下方积累的自由载流子的厚度。hacc＝7nm。hfo2具有很高的直流介电常数

计算出ito薄膜的介电常数的随着电压控制的变化情况，如图4和图5。由折射率的变化情况可知ito的复介电常数明显受到电压的控制，且在2.35v电压时，复介电常数已经近零态能，实现了本发明中“off”状态的转换。通过复介电常数和复折射率的转换可得在off状态下，复折射率随波长的变化情况。

本发明的有益效果：通过3d-fdtd模拟调制器的电学调控光场，清楚地显示了调制器间的耦合传输特性。经过优化的结构，使用光源波长为1550nm时，光源与硅波导之间的平均耦合效率达到了70％以上，消光比为-14.1db，插入损耗为为2.1db。单个电光调制器尺寸小于8.50um*0.83um，单个调制器的调制速率为0.7171tbit/s，当使用wdm模式时，传输速率为2.1tbit/s，每传输1bit信号能量消耗为5.7211fj。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，本实施例电光调制器结构示意图。

图2，本实施例电光调制器结构平面示意图。

图3，本实施例电光调制器结构尺寸示意图。

图4，ito薄膜的介电常数的随着电压控制的变化示意图。

图5，ito薄膜的介电常数的随着波长变化示意图。

图6，硅基双波导光学耦合结构示意图。

图7，施加电压(off)状态示意图。

图8，未施加电压(on)状态示意图。

图9，光源为1400-1600nm波长各个状态的透射谱示意图。

图10，光源为1400-1600nm波长各个状态的插入损耗示意图。

图11，光源为1400-1600nm波长各个状态的消光比示意图。

图12，波导高度分别为160、180、200时透射谱示意图。

具体实施方式

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。

实施例1

本实施例提供一种双波导耦合式的等离子电光调制器，连接于片上光网络，如图1，所述双波导耦合式的等离子电光调制器包括sio2基，sio2基上刻蚀三条波导参数一致的si波导，外侧的si波导用于输入激光，另外一侧的si波导用于传输调制好的激光信号并连接片上光网络；位于中间的si波导的上方沉积有第一hfo2层、ito层、第二hfo2层及导体层；所述导体层施加阳极电压，位于sio2基上方的si波导面用于施加阴极电压。

具体地，所述si波导为脊型si波导。

鉴于施加阳极时用更加的导电性能材料更好，优选地，所述导体层为au层。

优选地，所述脊型si波导的高度为透视谱窗口发生移动的高度。当改变si光波导高度时，发现透视谱窗口发生移动，可以做成wdm模式以提高通信容量。

本实施例可用于多种偏上光网络，但ornoc拓扑结构的片上光网络最为适合。

具体地，沉积采用常见的喷溅工艺方法。

本实施例通过对au层施加阳极电压，通过电场控制ito薄膜的介电常数以改变其折射率来控制波导之间的光场耦合，实现电学信号控制光学信号的目的。

本实施例中的三条si波导的波导参数还可以基本一致，但在长度上进行变化。外边较短的一条si波导用于输入一定波长的激光，另外一边较长的si波导一条用于传输调制好的激光信号。

详细地，如图1、图2、图3所述脊型si波导的宽度wg＝400nm，相邻si波导之间的间距wgap＝150nm，位于两侧的两条脊型si波导的波导高度hg＝180nm，位于中间的脊型si波导高度hig＝180nm，第一hfo2层的厚度hig＝15nm、ito层厚度hhfo＝20nm、第二hfo2层厚度hig＝15nm、au层厚度hau＝500nm及脊型si波导长度lcoupling＝8500nm；所述双波导耦合式的等离子电光调制器的工作波长为1400nm-1600nm。

通过fdtdsolutions仿真软件对电控光场进行仿真，在发送端的波导表面激发amplitude为1的tm波，波长范围为1400-1600nm，分别在on和off状态下观察到电场的分布图如图4、5所示，图4为off状态在环形波导上几乎没有观测到有电场分布，图5为on状态在环形波导上观测到有较强的电场分布。

图7为施加电压状态即off状态，图8为未施加电压状态即on状态。如图9光源为1400-1600nm波长各个状态的透射谱示意图所示，图中三条曲线分别为1400-1600nm波长的输入功率谱、on状态输出功率谱和off状态功率谱，从透射谱可以明显发现不同波长的透射率尽不相同且呈周期性变化。从绿色曲线可明显发现在off状态时，光信号几乎不能通过。

根据插入损耗公式通过仿真和数据分析，如图10所示，图中曲线为1400-1600nm波长的插入损耗曲线，在1450-1555nm之间有低透窗口。根据消光比定义公式：

上式中，poff为“off”状态时环形波导中的光信号强度，而pon为“on”状态时环形波导中的光信号强度。我们将1400-1600nm波段的功率进行测量，并绘制成如图10所示的曲线。在各个波段其消光比是不同的，经计算，如图11，平均消光比为-11.07db，在1550nm波长的消光比为-14.1db。

我们通过改变不同波导高度，发现透射谱窗口发生了移动，如图12所示，当波导高度分别为160、180、200时，三个透射中心分别为1540、1546、1554nm波长处。

coms结构结开关速率可用如下公式表示：

τ＝rc；

上式中接触电阻r＝500ω，由电容定义公式：

计算出：

上式中，ε0＝8.85×10^-12f/m，d为ito加上双层hfo2的厚度，s为电容结面积，即s＝lcoupling*wig，代入数据可计算得，τ＝1.0359×10^-12s，充电时间为1.0359ps。每充电放电一次才能完成1bit传输，那么完成1bit传输需要的时间为2τ＝2.0718ps，传输速率为：

传输1bit需要消耗的功耗可通过电容充电能量大小(放电不需要消耗能量)来计算，

计算可得电容容量因此e＝5.7211×10^-15j，那么，传输1bit需要消耗的功耗为5.7211fj。

根据香农定理计算通信容量。

其中j＝3，b＝0.4827thz，经计算得averagec＝0.4827thz*1.4856＝0.7171tbits/s，三个通道复用，可得三个通道wdm的总香农通信容量为shannoncapacity＝2.1513tbits/s。

表1对上述的参数进行总结，然后将近年来各学者的研究成果参数进行对比，对比发现，我们提出的电光调制器参数性能：消光比、能耗、调制速率、尺寸、控制电压均优于大部分其他学者提出的同类电光调制器参数。

表1

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。