一种片上多物理场调控装置

1.本实用新型属于芯片领域，尤其涉及一种片上多物理场调控装置。


背景技术：

2.随着数据中心、光通信的发展，数据流量呈现爆炸式增长，研究新一代具有超带宽、高调制效率的片上光调制器变得尤为重要。传统的基于铌酸锂材料的调制器，受限于铌酸锂本身电光系数低，器件的尺寸一般在厘米量级，对于大规模集成非常具有挑战性，也增加了片上光调制器设备的成本。随着硅基光子学的发展，人们开始探索在硅基上实现光调制器，然而由于硅材料本身是中心对称晶体，缺少二阶非线性效应，目前硅基电光调制器大多基于等离子体色散效应，通过调控载流子的浓度进而改变硅材料的折射率。然而该调制机理的调制速率和调制带宽受到载流子寿命的限制，并且难以实现单独的相位调制。
3.常见的多物理场调控的设计方案：空隙波导异质集成光调制器、亚波长光栅波导异质集成光调制器、表面等离子体激元-介质异质集成光调制器，这种方案中空隙波导异质集成光调制器随着空隙宽度的增加会大幅度降低对光载波的限制能力，降低空隙波导的宽度也会给制作带来挑战性，同时空隙波导对于制作误差的容忍度较低；亚波长光栅波导异质集成光调制器可以将光载波扩散到电光材料中，但是介质块之间的电光材料极化效率低，同时电极的间距增大，降低了光调制器的调制效率；基于表面等离子激元结构-介质异质集成光调制器可以将光载波强约束在金属的表面与电光材料强相互作用，但是器件整体的光损耗大。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种片上多物理场调控装置，旨在解决现有的电光调制器的调制效率低的问题。
5.本实用新型是这样实现的，一种片上多物理场调控装置，包括信号发生器、光源及异质集成光调制器，所述信号发生器及光源分别与所述异质集成光调制器连接，所述信号发生器输出调制电信号至所述异质集成光调制器，所述光源输出光载波至所述异质集成光调制器，所述异质集成光调制器包括电极层、光波导层及电光材料层，所述电光材料层覆盖在所述光波导层的表面，所述电极层设于所述电光材料层的表面，所述光波导层内设有用于限制光载波的基于微纳结构的空隙结构。
6.本实用新型的进一步技术方案是：所述光波导层包括输入光单元、调制单元及输出光单元，所述输入光单元的输入端与所述光源连接，所述输入光单元的输出端与所述调制单元的输入端连接，所述输出光单元的输入端与所述调制单元的输出端连接。
7.本实用新型的进一步技术方案是：所述调制单元包括电连接结构及空隙结构，所述空隙结构包括第一波导块及第二波导块，所述电连接结构包括用于接入调制电信号的第一电连接块及第二电连接块，所述第一波导块垂直设于所述第一电连接块的一端，所述第二波导块垂直设于所述第二电连接块的一端且靠近所述第一波导块设置，所述第一波导块
与所述第二波导块相对设置。
8.本实用新型的进一步技术方案是：所述第一波导块与所述第二波导块之间形成纳米间隙，所述纳米间隙中填充有低折射率的电光材料，所述光载波在所述纳米间隙内传输。
9.本实用新型的进一步技术方案是：所述电连接结构的表面设有用于调控介质整体折射率的孔洞。
10.本实用新型的进一步技术方案是：所述孔洞的外形采用圆形或矩形或菱形。
11.本实用新型的进一步技术方案是：所述电连接结构的整体等效折射率小于所述空隙结构材料的折射率。
12.本实用新型的进一步技术方案是：所述电光材料层采用电光聚合物材料。
13.本实用新型的有益效果是：本实用新型提出的多物理场调控装置在工艺上兼容现有的微纳加工工艺，可以融合多介质材料的优势，结构上基于微纳结构的所述空隙结构，可以增强光载波、调制电信号与电光材料之间的相互作用，提高了电光调制器的调制效率和带宽性能。
附图说明
14.图1是本实用新型实施例提供的结构示意图；
15.图2是本实用新型实施例提供的异质集成光调制器的截面图；
16.图3是本实用新型实施例提供的调制单元的截面图；
17.图4是本实用新型实施例提供的调制单元的第一个实施例；
18.图5是本实用新型实施例提供的调制单元的第二个实施例；
19.图6是本实用新型实施例提供的调制单元的第三个实施例；
20.图7是传统的空隙波导结构与本实用新型的基于微纳结构的空隙波导的调制效率对比图；
21.图8是传统的空隙波导结构与本实用新型的基于微纳结构的空隙波导对于光场束缚能力的数据对比图；
22.图9是本传统的空隙波导结构的厚度与本实用新型的基于微纳结构的空隙波导的厚度对光场束缚能力的数据对比图。
具体实施方式
23.附图标记：1-输入光单元，2-调制单元，3-输出光单元，4-电极层，5-波导层，6-电光材料层，7-空隙结构，8-第一电连接块，9-第一波导块，10-第二波导块，11-第二电连接块，12-孔洞。
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
25.图1示出了本实用新型提供的一种片上多物理场调控装置，包括信号发生器、光源及异质集成光调制器，所述信号发生器及光源分别与所述异质集成光调制器连接，所述信号发生器输出调制电信号至所述异质集成光调制器，所述光源输出光载波至所述异质集成
光调制器，所述异质集成光调制器包括电极层4、光波导层5及电光材料层6，所述电光材料层6覆盖在所述光波导层5的表面，所述电极层4设于所述电光材料层6的表面，所述光波导层5内设有用于限制光载波的基于微纳结构的空隙结构7。
26.优先地，所述光波导层5包括输入光单元1、调制单元2及输出光单元3，所述输入光单元1的输入端与所述光源连接，所述输入光单元1的输出端与所述调制单元2的输入端连接，所述输出光单元3的输入端与所述调制单元2的输出端连接。
27.优先地，所述调制单元2包括电连接结构及空隙结构7，所述空隙结构7包括第一波导块9及第二波导块10，所述电连接结构包括用于接入调制电信号的第一电连接块8及第二电连接块11，所述第一波导块9垂直设于所述第一电连接块8的一端，所述第二波导块10垂直设于所述第二电连接块11的一端且靠近所述第一波导块9设置，所述第一波导块9与所述第二波导块10相对设置。
28.优先地，所述第一波导块9与所述第二波导块10之间形成纳米间隙，所述纳米间隙中填充有低折射率的电光材料，所述光载波在所述纳米间隙内传输。
29.优先地，所述电连接结构的表面设有用于调控介质整体折射率的孔洞12。
30.优先地，所述孔洞12的外形采用圆形或矩形或菱形。
31.优先地，所述电连接结构的整体等效折射率小于所述空隙结构7材料的折射率。
32.优先地，所述电光材料层6采用电光聚合物材料。
33.本实用新型提供了一种片上多物理场调控装置，该装置可在芯片上实现对光场、电场、声场等物理场同时进行调控和局域增强，突破传统光子器件结构仅能对单一物理场进行调控的局限，从而提高片上异质集成调制器、多维传感器、光声转换器等多物理场光子器件的性能。本实用新型中提出的方法可广泛应用于多物理场器件设计，可应用的领域包括：
34.(1)高性能异质集成光子器件，如超高速调制器、全光开关、光量子器件、光声器件等；
35.(2)多维传感器，如电磁场传感器、光催化检测等。
36.以应用在超高速调制器中为例，本实用新型提出的片上多物理场调控装置包含：所述光波导层5、电光材料层6及电极层4。所述光波导层5包含基于微纳结构的所述空隙结构7，将传输的光信号约束在在电光材料中；所述电光材料层6异质集成在所述光波导层5的表面；所述电极层4加工在所述电光材料层6的表面，所述电极层4通过导电介质或者掺杂的电介质层将调制信号加载到所述电光材料层6的区域。本实用新型提出的多物理场调控装置在工艺上兼容现有的微纳加工工艺，可以融合多介质材料的优势，结构上基于微纳结构的所述空隙结构7，可以增强光载波、调制电信号与电光材料之间的相互作用，提高了电光调制器的调制效率和带宽性能。
37.本实用新型提出多物理场调控装置应用在超高速调制器的配置如图1所示，调制信号经过所述异质集成光调制器被高效的编码到光载波上，光载波经过所述异质集成光调制器后携带有传输信息。其中所述异质集成光调制器由所述光波导层5、电光材料层6及电极层4组成，如图2所示，其中所述光波导层5包含所述输入光单元1、基于微纳结构的所述调制单元2及输出光单元3，其中所述输入光单元1将光信号低损耗的传输到所述调制单元2。基于微纳结构的所述调制单元2由微纳结构的所述电连接结构及空隙结构7组成，其中基于
微纳结构所述空隙结构7横截面如图3所示，每一个所述调制单元2中包括了所述第一电连接块8、第二电连接块11、第一波导块9及第二波导块10，其中所述第一波导块9与所述第一电连接块8组合形成l型，所述第二波导块10与所述第二电连接块11组合形成l型，所述第一波导块9与所述第二波导块10之间形成所述纳米间隙，光在所述纳米间隙里面传输。在所述第一电连接块8及第二电连接块11上均设置了所述孔洞12，所述孔洞12可以是圆形的孔状结构或矩形孔状结构或多边形菱形结构，具体如图4、5、6所示，通过设计微纳结构的所述孔洞12可以调控所述电连接结构的折射率大小，当所述电连接结构的等效折射率小于所述空隙结构7介质材料的折射率时，更多的光信号限制在所述纳米间隙里面传输，基于微纳结构的所述纳米间隙对于光载波的限制作用会增强，进而增强光载波、调制电信号、电光材料的相互作用，如图7所示，有效提高了所述异质集成光调制器的调制效率。所述输出光单元3将调制后的光载波信号输出到传输光路中。
38.组成所述光波导层5的材料大多基于硅材料或者其他高折射率光透明材料。所述电光材料层6覆盖在所述光波导层5的表面，与所述光波导层5的波导介质材料异质集成，可以结合波导介质材料与电光材料两者的优势，既可以利用成熟的微纳加工工艺，同时又可以低成本的实现高效率的相变调控，所述电光材料层6的折射率普遍低于所述光波导层5的折射率，电光材料一般由电光聚合物材料组成。所述电极层4用来将调制电信号传输到所述电光材料层6，设置在所述电光材料层6的表面，所述电极层4通过导电介质或者掺杂的电介质层将调制信号加载到所述电光材料层6。
39.为了量化光载波、调制电信号、电光材料的相互作用，定义场相互作用因子γ
slot,x
(field interaction factor)为：
[0040][0041]
其中为空隙波导内垂直于传输方向的电场的x分量，和分别为传输截面的电场强度和磁场强度。
[0042]
以场相互作用因子γ
slot,x
为优化目标，空隙波导结构参数：硅轨道的宽度w
rail
、空隙波导的宽度w
slot
、电连接介质层厚度h
slab
、微纳结构的等效折射率n
slab
为优化变量，结果如图8、9所示。
[0043]
从图8可以得出，在空隙波导宽度w
slot
从100nm到200nm变化时，传统的空隙波导结构场相互作用因子γ
slot,x
整体小于0.225，而没有电连接的空隙波导结构的场相互作用因子γ
slot,x
介于0.325到0.375之间，由此可得，掺杂的电介质连接的存在会降低空隙波导对光场的限制能力。由于场相互作用因子γ
slot,x
随着空隙波导的宽度w
slot
的减小而增大，减小空隙波导的宽度可以小幅度削弱此种影响，然而过小的空隙波导宽度会显著降低器件内实际的极化效率，增大空隙波导形成的电容c，同时也会增加刻蚀工艺的复杂度。
[0044]
本实用新型提出的基于微纳结构的空隙结构7可以有效改善传统空隙波导引入掺杂的电介质连接后对于光场束缚能力降低的问题，从图8的仿真结果可得出，场相互作用因子γ
slot,x
介于0.325到0.375之间，同时，当w
rail
从200nm到240nm变化时，整个过程中场相互作用因子γ
slot,x
变化范围很小，由此可见，该结构对制作误差容忍度较高。
[0045]
图9展示了当空隙波导结构参数为：w
slot
＝120nm，w
rail
＝220nm的情况下，场相互作用因子γ
slot,x
随电连接介质层的厚度h
slab
的变化曲线。厚度h
slab
从10nm到100nm变化时，引入掺杂电连接介质层的空隙波导结构场相互作用因子γ
slot,x
会随着h
slab
的增加而显著衰减，而本实用新型提出的基于微纳结构的空隙结构7随着h
slab
的增加而小幅度衰减，但是整体的γ
slot,x
维持在0.35附近，由此可见，基于微纳结构的空隙结构7无需再将厚度加工到很薄，降低了微纳器件加工的复杂度，同时也降低了电连接区域的电阻，提升了所述异质集成光调制器的带宽性能。
[0046]
该装置通过增强光场、电场和电光材料的相互作用，大大提高了电光调制器的调制效率，基于微纳结构的空隙结构7，其简单的几何结构对于制作误差容忍度较高，能有效降低微纳加工过程中复杂度。
[0047]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。