申请/专利权人：中国电子科技集团公司第二十四研究所

申请日：2017-11-07

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN107632419B

主分类号：G02F1/065(20060101)

分类号：G02F1/065(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.13#授权;2018.02.23#实质审查的生效;2018.01.26#公开

摘要：本发明提供一种基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，包括衬底层，在衬底层上设置有相互平行的第一金属纳米条、第二金属纳米条和第三金属纳米条，至少在第一金属纳米条与第二金属纳米条之间的第一狭缝以及第二金属纳米条与第三金属纳米条之间的第二狭缝内填充有电光聚合物层；输入波导将输入的光信号传输至第一狭缝和第二狭缝，激发出表面等离子体激元，表面等离子体激元沿着金属纳米组合与电光聚合物层的交界面传播，电信号在被施加到电光聚合物层上后交界面的有效折射率发生变化，从而改变表面等离子体激元的传播条件，对应地表面等离子体激元在输出波导耦合输出的光信号也发生变化，从而实现高速高带宽电光调制。

主权项：1.一种基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，包括衬底层，在所述衬底层上设置有金属纳米条组合，所述金属纳米条组合包括相互平行的第一金属纳米条、第二金属纳米条和第三金属纳米条，至少在所述第一金属纳米条与第二金属纳米条之间的第一狭缝以及所述第二金属纳米条与第三金属纳米条之间的第二狭缝内填充有电光聚合物层，所述第一狭缝和第二狭缝的宽度取50nm～100nm之间的任意值；所述电光聚合物层与电信号连接，在所述金属纳米条组合的一端设置有输入波导，另一端设置有输出波导，所述输入波导和输出波导的尖端结构与所述金属纳米条组合对应的端结构相对并匹配；所述金属纳米条组合、输入波导和输出波导设置在SOI层内，所述SOI层位于所述衬底层上；所述输入波导用于输入光信号，所述光信号通过所述尖端结构被传输至所述第一狭缝和第二狭缝，激发出表面等离子体激元，所述表面等离子体激元沿着金属纳米条组合与所述电光聚合物层的交界面传播，所述电信号在被施加到所述电光聚合物层上后所述交界面的有效折射率发生变化，从而改变所述表面等离子体激元的传播条件，对应地所述表面等离子体激元在所述输出波导耦合输出的光信号也发生变化，从而实现所述光信号的电光调制；所述输入波导和输出波导对应设置在第二金属纳米条的两端，并与第二金属纳米条之间的距离小于100nm；所述尖端结构为等腰三角柱体或等腰梯形柱体，所述等腰三角柱体或等腰梯形柱体的等腰对称线与所述第二金属纳米条的横向中心线对齐，且等腰面上设置有竖直向下的光栅，所述等腰梯形柱体还在其短边面上设置有竖直向下的光栅。

全文数据：基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器技术领域[0001]本发明属于电光调制领域，具体涉及一种基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器。背景技术[0002]光模数转换器等光电器件，现在因为体积、功耗较大等原因，无法大规模实际应用，需要对其小型微系统化进行研究。光电系统的集成是分立器件的集成，因此需要研究每个分立器件的设计和制作。目前光模数转换器系统中，电光调制器通常属于硅基光子器件，其基于自由载流子色散效应的硅基对光信号进行调制，但是受到载流子效应的影响，这种电光调制器的驱动功率较大，往往需要几百毫瓦，并且引起的光功率损耗也很大，只能针对光功率大的光信号进行调制，因而传统的电光调制器存在能耗较大且调制带宽较窄、调制效率较低的问题。发明内容[0003]本发明提供一种基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，以解决目前电光调制器存在的能耗较大且调制带宽较窄、调制效率较低的问题。[0004]根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，包括衬底层，在所述衬底层上设置有金属纳米条组合，所述金属纳米条组合包括相互平行的第一金属纳米条、第二金属纳米条和第三金属纳米条，至少在所述第一金属纳米条与第二金属纳米条之间的第一狭缝以及所述第二金属纳米条与第三金属纳米条之间的第二狭缝内填充有电光聚合物层，所述电光聚合物层与电信号连接，在所述金属纳米条组合的一端设置有输入波导，另一端设置有输出波导，所述输入波导和输出波导的尖端结构与所述金属纳米条组合对应的端结构相对并匹配；[0005]所述输入波导用于输入光信号，所述光信号通过所述尖端结构被传输至所述第一狭缝和第二狭缝，激发出表面等离子体激元，所述表面等离子体激元沿着金属纳米组合与所述电光聚合物层的交界面传播，所述电信号在被施加到所述电光聚合物层上后所述交界面的有效折射率发生变化，从而改变所述表面等离子体激元的传播条件，对应地所述表面等离子体激元在所述输出波导耦合输出的光信号也发生变化，从而实现所述光信号的电光调制。[0006]在一种可选的实现方式中，所述尖端结构为等腰三角柱体或等腰梯形柱体，所述等腰三角柱体或等腰梯形柱体的等腰对称线与所述第二金属纳米条的横向中心线对齐，且等腰面上设置有竖直向下的光栅，所述等腰梯形柱体还在其短边面上设置有竖直向下的光栅。[0007]在另一种可选的实现方式中，所述输入波导和输出波导对应设置在第二金属纳米条的两端，并与第二金属纳米条之间的距离小于l〇〇nm。[0008]在另一种可选的实现方式中，所述第一狭缝和第二狭缝的宽度取50nm〜IOOnm之间的任意值。[0009]在另一种可选的实现方式中，所述金属纳米条组合、输入波导和输出波导设置在SOI层内，所述SOI层位于所述衬底层上。[0010]在另一种可选的实现方式中，各个金属纳米条都选用金属Au或Ag制成。[0011]在另一种可选的实现方式中，各个金属纳米条与衬底层之间设置有金属钛层。[0012]本发明的有益效果是：[0013]由于金属纳米条与电光聚合物层的交界面处的有效折射率对电信号的响应尤为灵敏，而由光信号激发出的表面等离子体激元是沿着该交界面传播的，因此即便在电信号很弱的情况下，本发明电光调制器也能较大程度改变表面等离子体激元的传播条件，从而使得本发明电光调制器的能耗较低，并且电信号的较小变化就可以引起交界面处折射率较大的变化，因此相比于现有电光调制器，本发明电光调制器在固定电信号范围内对应的折射率变化范围更广，从而使本发明电光调制器的电调制范围更广。[0014]本发明中表面等离子体激元是光信号和金属纳米层表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属纳米表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态，局限于金属纳米层表面传播，当光信号激发出表面等离子体激元后，在本发明的双狭缝结构下表面等离子体激元将获得增强，从而降低了光信号在传播过程中的光损耗，增大了可调制光信号的带宽。另外，本发明采用光电聚合物材料替代原有硅材料对光信号进行调制，可以减小载流子效应带来的不利影响，提高调制速率。由此，本发明电光调制器不仅可以降低能耗，而且可以增大电调制范围，可调光信号的带宽，并且可以提高调制速率。附图说明[0015]图1是本发明基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器的一个实施例俯视图；[0016]图2是基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器的一个实施例侧视图；[0017]图3是图1中尖端结构的放大图；[0018]图4是图1中的A-A视图。具体实施方式[0019]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。[0020]在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。[0021]参见图1，为本发明基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器的一个实施例俯视图。结合图2所示，该基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器可以包括衬底层7,在所述衬底层7上设置有金属纳米条组合，所述金属纳米条组合包括相互平行的第一金属纳米条I、第二金属纳米条2和第三金属纳米条3,至少在所述第一金属纳米条1与第二金属纳米条2之间的第一狭缝以及所述第二金属纳米条2与第三金属纳米条3之间的第二狭缝内填充有电光聚合物层4,所述电光聚合物层4与电信号连接，在所述金属纳米条组合的一端设置有输入波导5,另一端设置有输出波导5’，所述输入波导5和输出波导5’的尖端结构与所述金属纳米条组合对应的端结构相对并匹配;所述输入波导5用于输入光信号，所述光信号通过所述尖端结构被传输至所述第一狭缝和第二狭缝，激发出表面等离子体激元，所述表面等离子体激元沿着金属纳米组合与所述电光聚合物层的交界面传播，所述电信号在被施加到所述电光聚合物层上后所述交界面的有效折射率发生变化，从而改变所述表面等离子体激元的传播条件，对应地表面等离子体激元在所述输出波导耦合输出的光信号也发生变化，从而实现输入光信号的电光调制。[0022]本实施例中，金属纳米层与电光聚合物层交界面处表面等离子体激元的色散关系，其中k〇=ωc是真空中传播的电磁波的波矢，复参量β=kx为波的传播常数，ει、ε2为绝缘介质介电常数的实部和虚部，其与折射率的关系是61=]12-1〇2^2=2111〇，11和1〇分别是折射率的实部和虚部。其中κ也被称作消光系数，决定电磁波在介质中传播时的吸收。因为Ie1IIε2|，所以由介质极化引起的传播波相速度降低，即复折射率实部η主要由决定。本发明实现电信号通过电光效应引起的折射率变化调制表面等离子体激元，完成电光调制。[0023]由于金属纳米条与电光聚合物层的交界面处的有效折射率对电信号的响应尤为灵敏，而由光信号激发出的表面等离子体激元是沿着该交界面传播的，因此即便在电信号很弱的情况下，本发明电光调制器也能较大程度改变表面等离子体激元的传播条件，从而使得本发明电光调制器的能耗较低，并且电信号的较小变化就可以引起交界面处折射率较大的变化，因此相比于现有电光调制器，本发明电光调制器在固定电信号范围内对应的折射率变化范围更广，从而使本发明电光调制器的电调制范围更广。[0024]本发明中表面等离子体激元是光信号和金属纳米层表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属纳米表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态，局限于金属纳米层表面传播，当光信号激发出表面等离子体激元后，在本发明的双狭缝结构下表面等离子体激元将获得增强，从而降低了光信号在传播过程中的光损耗，增大了可调制光信号的带宽。另外，本发明采用光电聚合物材料替代原有硅材料对光信号进行调制，可以减小载流子效应带来的不利影响，提高调制速率。由此，本发明电光调制器不仅可以降低能耗，而且可以增大电调制范围，可调光信号的带宽，并且可以提高调制速率。[0025]为了进一步提高调制速率和带宽，结合图3和图4所示，所述尖端结构可以为等腰三角柱体或等腰梯形柱体，所述等腰三角柱体或等腰梯形柱体的等腰对称线与所述第二金属纳米条2的横向中心线对齐，且等腰面上设置有竖直向下的光栅8,所述等腰梯形柱体还在其短边面上设置有竖直向下的光栅8,图3中等腰三角柱体或等腰梯形柱体的尖端9正对所述第二金属纳米条2的横向中心线。对应地，金属纳米组合中三个金属纳米条在两端形成与尖端结构匹配的等腰三角柱体或等腰梯形柱体。本发明通过使金属纳米组合对应的端结构与输入输出波导的尖端结构相匹配，可以保证更多的光信号准确地进入双狭缝结构，并且通过将尖端结构设计成等腰三角柱体或等腰梯形柱体，并在对应等腰面上设置竖直向下的光栅，可以进一步保证更多的光信号准确地进入双狭缝结构，从而提高光电调制速率和带宽，并且还可以提高光信号输出时的耦合效率。[0026]另外，为了保证将光信号传输至双狭缝结构中，所述输入波导5和输出波导5’与第二金属纳米条2之间的距离小于IOOnm纳米）；为了保证双狭缝结构可以激发出表面的等离子体激元，所述第一狭缝和第二狭缝的宽度取50nm〜IOOnm之间的任意值。另外，所述金属纳米条组合、输入波导5和输出波导5’设置在SOISilicon-On-Insulator，衬底绝缘娃层6内，所述SOI层6位于所述衬底层7上。本发明通过设置SOI层，可以方便与S0ICM0S工艺兼容，可集成到光电模数转换器等光电集成系统中。其中，输入波导5和输出波导5’的横向中心线在竖直方向上比第二金属纳米条2的横向中心线矮20〜30nm，第一金属纳米条1、第二金属纳米条2和第三金属纳米条3的厚度相等，由此可以保证较多的光信号被传输至双狭缝结构中。[0027]由上述实施例可见，本发明高带宽可集成电光调制器，比传统的电光调制器面积更小，其工艺与SOICMOS工艺兼容，便于大批量制作和系统集成;通过对双狭缝结构的宽度进行调整，可以实现光信号传播距离可调，确保了调制的可行性;本发明结构的介电常数低，利于微波和光波的相位匹配，显著提高调制器带宽;本发明的加工工艺简单，只需要成熟的旋涂，曝光，显影和刻蚀等工艺进行制作;本发明通过对结构进行设计，改变了表面等离子体激元的能量分布，将光场能量集中在电光聚合物材料中，增大了调制深度。[0028]基于表面等离子体激元的结构器件和波导实现了在纳米尺度上操纵和控制光子，为实现未来高密度全光集成，超高速纳米光子学器件提供了一条有效的途径，因而受到物理学、光学、材料科学、纳米科技等研究领域的广泛关注。本发明双狭缝结构具有最好的表面等离子体激元激发和模式束缚特性，其制作步骤为:首先将SOI芯片设置在衬底层例如SiO2上，在SOI芯片上旋涂一层3微米厚光刻胶，利用电子束曝光进行曝光，然后显影、刻蚀，从而在SOI芯片上制成输入波导5和输出波导5’。本发明使用电子束曝光的原因在于它的加工精度比较高。第二步，再旋涂一层3微米厚的光刻胶，利用电子束曝光对SOI芯片进行套刻，使其中间部分形成一矩形凹槽，该矩形凹槽作为剥离金膜的结构。第三步，在矩形凹槽结构上电子束蒸发一层300纳米厚的金膜。激发表面等离子体激元的金属纳米结构可以选用金Au、银Ag等贵重金属，由于这些金属不易被氧化，而且在1550纳米波长附近具有较低的吸收损耗，因此本发明选用Au、Ag作为金属纳米层可以提高调制效率和带宽。为了增强二氧化硅与金或银）的附着性，在蒸镀金或银之前，需要现在先蒸镀一层5纳米厚的钛。最后，利用自下而上剥离的方法形成金属狭缝。由此双狭缝结构加工完成。[0029]双狭缝结构加工完成之后，利用电极和旋涂的方式在狭缝内和表面加入电光聚合物，并对其进行极化，以实现电信号调制。电光聚合物可以采用AJLS103和PMMA聚甲基丙烯酸甲酯）的交联聚合物。交联后的聚合物性质稳定，不会与常用光刻胶及其显影液相互作用，故可在聚合物上进行电极加工。而且极化后，其非线性系数（100〜200pmV较强，适合进行电光调制。将交联聚合后的电光聚合物利用甩胶机均匀旋涂在芯片上，使得其均匀填充狭缝且覆盖整个结构表面，并不留气泡。然后在其上旋涂一层保护层。由于本调制器利用聚合物的非线性光电效应进行电信号调制，信号响应将不受载流子效应影响，仅取决于波导的结构和材料的特性。采用电光聚合物材料替代原有材料硅进行调制，减小载流子效应带来的不利影响，提高调制速率。利用这种双狭缝结构的表面等离子体极化模式特性，强化有机电光聚合物狭缝对光场的限制作用。[0030]本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。[0031]应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

权利要求：1.一种基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，包括衬底层，在所述衬底层上设置有金属纳米条组合，所述金属纳米条组合包括相互平行的第一金属纳米条、第二金属纳米条和第三金属纳米条，至少在所述第一金属纳米条与第二金属纳米条之间的第一狭缝以及所述第二金属纳米条与第三金属纳米条之间的第二狭缝内填充有电光聚合物层，所述电光聚合物层与电信号连接，在所述金属纳米条组合的一端设置有输入波导，另一端设置有输出波导，所述输入波导和输出波导的尖端结构与所述金属纳米条组合对应的端结构相对并匹配；所述输入波导用于输入光信号，所述光信号通过所述尖端结构被传输至所述第一狭缝和第二狭缝，激发出表面等离子体激元，所述表面等离子体激元沿着金属纳米组合与所述电光聚合物层的交界面传播，所述电信号在被施加到所述电光聚合物层上后所述交界面的有效折射率发生变化，从而改变所述表面等离子体激元的传播条件，对应地所述表面等离子体激元在所述输出波导耦合输出的光信号也发生变化，从而实现所述光信号的电光调制。2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，所述尖端结构为等腰三角柱体或等腰梯形柱体，所述等腰三角柱体或等腰梯形柱体的等腰对称线与所述第二金属纳米条的横向中心线对齐，且等腰面上设置有竖直向下的光栅，所述等腰梯形柱体还在其短边面上设置有竖直向下的光栅。3.根据权利要求2所述的基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，所述输入波导和输出波导对应设置在第二金属纳米条的两端，并与第二金属纳米条之间的距离小于IOOnm04.根据权利要求1所述的基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，所述第一狭缝和第二狭缝的宽度取50nm〜IOOnm之间的任意值。5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，所述金属纳米条组合、输入波导和输出波导设置在SOI层内，所述SOI层位于所述衬底层上。6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，各个金属纳米条都选用金属Au或Ag制成。7.根据权利要求6所述的基于表面等离子体激元的可集成高带宽电光调制器，其特征在于，各个金属纳米条与衬底层之间设置有金属钛层。

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