納米級等離子體激元場效應(yīng)調(diào)制器的制造方法
【專利說明】納米級等離子體激元場效應(yīng)調(diào)制器
[0001] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或發(fā)展的聲明
[0002] 在美國空軍授予的FA9550-12-1-0024下由政府支持做出本發(fā)明。政府在本發(fā)明 中具有一定的權(quán)利。
[0003] 領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器。更具體地，它涉及納米級等離子體激元場 效應(yīng)調(diào)制器。
[0005] 背景
[0006] 在各種應(yīng)用中例如在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用光調(diào)制器。光調(diào)制器的一個例子是光子光 調(diào)制器，其中光信號在傳播材料的體積內(nèi)部傳播。
[0007] 概述
[0008] 描述了基于透明導(dǎo)電氧化物（TCO)活性區(qū)的等離子體激元場效應(yīng)調(diào)制器。TCO材 料與等離子體激元波導(dǎo)一起使用來提供具有高動態(tài)范圍和低波導(dǎo)損耗的等離子體激元波 導(dǎo)。
[0009] 根據(jù)第一方面，描述了光調(diào)制器，其包括：襯底；在襯底上的金屬層，金屬層具有 開槽通道；在金屬層上和開槽通道中的介電層；在介電層上和開槽通道中的透明導(dǎo)電氧化 物（TCO);以及施加在TCO和金屬層之間的可調(diào)整電壓。
[0010] 開槽通道包括在金屬層的第一邊緣處的開槽通道的第一端和在金屬層的第二邊 緣處的開槽通道的第二端。
[0011] 光輸入信號配置成在第一端處被施加到開槽通道，而經(jīng)調(diào)制光信號配置成在第二 端處被輸出。
[0012] 開槽通道形成等離子體激元波導(dǎo)，使得施加到開槽通道的第一端的輸入光信號從 開槽通道的第二端輸出。
[0013] 開槽通道包括實(shí)質(zhì)上垂直于開槽通道延伸的短柱。
[0014] 開槽通道包括具有第一寬度的區(qū)段和具有第二寬度的區(qū)段，其中，溝槽的寬度從 第一寬度到第二寬度和從第二寬度到第一寬度逐漸變化。
[0015] 根據(jù)第二方面，描述了等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器，其包括：由第一金屬-介電界面 形成的第一積聚層；由第二金屬-介電界面形成的第二積聚層，第一積聚層和第二積聚層 布置成靠近彼此且彼此間隔開，并使得第一界面的介電層和第二界面的介電層面向彼此； 在第一積聚層和第二積聚層之間的透明導(dǎo)電氧化物（TCO);以及施加在TCO及第一界面和 第二界面的金屬層之間的可調(diào)整電壓。
[0016] TCO配置成通過將輸入光信號限制在開槽通道中來傳播輸入光信號。
[0017] 開槽通道包括具有第一寬度的第一區(qū)段和具有第二寬度的第二區(qū)段。
[0018] 第一積聚層包括在遠(yuǎn)離第二積聚層的方向上延伸的第一短柱。
[0019] 第一短柱形成沿著由第一界面、第二界面和TCO形成的等離子體激元光傳播路徑 的空腔諧振器。
[0020] 根據(jù)第三方面，描述了用于調(diào)制光信號的方法，該方法包括：使用等離子體激元 波導(dǎo)接收輸入光信號，等離子體激元波導(dǎo)包括：在襯底上的金屬層，金屬層具有開槽通 道；在金屬層上和開槽通道中的介電層；以及在介電層上和開槽通道中的透明導(dǎo)電氧化物 (TCO);將可調(diào)整電壓施加在TCO和金屬層之間；以及接通和/或斷開可調(diào)整電壓，因而切 斷和/或傳輸在開槽通道中的光信號。
[0021] 傳輸光信號包括在等離子體激元間隙模式中傳播光信號，使得傳播的光信號被限 制在開槽通道內(nèi)。
[0022] 接通和/或斷開可調(diào)整電壓包括以設(shè)定的頻率重復(fù)地接通和/或斷開可調(diào)整電 壓。
[0023] 附圖的簡要說明
[0024] 對本發(fā)明及其很多伴隨的特征和方面的更完整的認(rèn)識將變得更容易明顯，因?yàn)楫?dāng) 結(jié)合附圖考慮時(shí)本發(fā)明通過參考下面的詳細(xì)描述變得更好理解，其中相似的參考符號指示 相似的部件。
[0025] 圖1是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的一部分的透視圖。
[0026] 圖2是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的橫截面視圖。
[0027] 圖3是在納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的材料的各種層中的載流子密度的圖 形表示。
[0028] 圖4是示出根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的等離子體激元模 式場分布的圖。
[0029] 圖5A-5B是各種偏置電壓的光輸入信號的傳輸或測量損耗的圖形表示。
[0030] 圖6是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的一部分的透視圖。
[0031] 圖7是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的橫截面視圖。
[0032] 圖8是示出根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的等離子體激元模 式場分布的圖。
[0033] 圖9是示出根據(jù)實(shí)施方式的在各種短柱尺寸的各種波長下的等離子傳輸譜的圖 形表示。
[0034] 圖10是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的橫截面視圖。
[0035] 圖11是在根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器中的傳輸?shù)膱D形表 不。
[0036] 圖12是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的一部分的透視圖。
[0037] 圖13是根據(jù)實(shí)施方式的納米級等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器的橫截面視圖。
[0038] 詳細(xì)描述
[0039] 現(xiàn)在將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中示出其示例性實(shí)施方式。雖然可以 用各種方式修改所描述的本發(fā)明的實(shí)施方式，所描述的實(shí)施方式在附圖中和在下面的詳細(xì) 描述中被呈現(xiàn)為例子。然而，本公開的發(fā)明不應(yīng)將本發(fā)明限制到所描述的特定實(shí)施方式。相 反，本發(fā)明意欲涵蓋落在如所附權(quán)利要求限定的落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有修改、等效形 式和備選方案。而且，與公知的功能或配置有關(guān)的詳細(xì)描述被省略，以便不會沒有必要地模 糊本發(fā)明的主題。
[0040] 為了解釋的方便，可放大在附圖中的層和區(qū)的尺寸。相似的參考數(shù)字始終表示相 似的元件。將理解，當(dāng)層、區(qū)或部件被稱為在另一層、區(qū)或部件"上（on) "、"上形成（formed on)"、"之上（over)"或"之上開$成（formed over)"時(shí)，它可直接或間接地在另一層、區(qū)或部 件上或上形成。也就是說，例如，中間層、區(qū)或部件可能存在。
[0041] 在具有等離子體激元波導(dǎo)的納米級處的光的有源控制在光子芯片集成中具有各 種應(yīng)用。透明導(dǎo)電氧化物（TCO)具有在光波長處的高傳輸，且因此對集成到有源等離子體 激元結(jié)構(gòu)內(nèi)是合乎需要的。TCO可與等離子體激元波導(dǎo)一起使用以提供具有高動態(tài)范圍 (~2dB/ μ m)和低波導(dǎo)損耗（~0. 4dB/ μ m)的等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器?？山?jīng)由電偏壓 的施加明顯改變TCO的載流子濃度，類似于MOS器件的場效應(yīng)，其中積聚層由于外加電場而 形成，隨后引起在局部折射率中的變化。當(dāng)TCO布置在TCO/介質(zhì)/金屬配置中時(shí)，電偏壓可 施加到TCO和金屬以實(shí)現(xiàn)等離子體激元波導(dǎo)調(diào)制器，作為由于來自偏壓的場效應(yīng)而形成的 積聚層的結(jié)果，類似于在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET)中的場效應(yīng)。由于在等 離子體激元波導(dǎo)中可實(shí)現(xiàn)的高模態(tài)限制，基于TCO的波導(dǎo)可引起對穿過場效應(yīng)機(jī)制的等離 子體激元模式的有效折射率的大變化，因而提供具有低插入損耗的高速、功率有效調(diào)制器。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，通過在金屬層中形成開槽通道（間隙）并用TCO填充開 槽通道來產(chǎn)生等離子體激元波導(dǎo)。圖1示出在半導(dǎo)體襯底100上形成的?。ɡ鐍200nm) 金屬層102的透視圖。間隙在金屬層102中形成，因而產(chǎn)生從金屬層102的第一邊緣延伸 到金屬層102的第二邊緣的開槽通道112。在一些實(shí)施方式中，間隙可以是但不一定限于大 約20