激光与光电子学进展, 2019, 56 (15): 152302, 网络出版: 2019-08-05   

基于高迁移率透明导电氧化物的高速、低插入损耗硅基光波导移相器研究 下载: 1246次

High-Speed and Low-Insertion-Loss Silicon Waveguide Phase Shifter Based on High Mobility Transparent Conductive Oxides
聂立霞 1,2张燕 1,2鲜仕林 1,2秦俊 1,2王会丽 1,2毕磊 1,2,*
作者单位
1 电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心, 四川 成都 611731
2 电子科技大学电子科学与工程学院, 四川 成都 611731
图 & 表

图 1. 4种材料的介电常数与电子浓度的关系。(a)实部;(b)虚部

Fig. 1. Permittivity as a function of electron concentration for four kinds of materials. (a) Real parts; (b) imaginary parts

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图 2. 硅基光波导移相器。(a)基于TCO材料的硅基光波导移相器结构;(b) HfO2/TCO界面介电常数分布;CdO薄膜截面累积层在栅电压下的(c)介电常数实部和(d)介电常数虚部与坐标的关系

Fig. 2. Silicon-based optical waveguide phase shifter. (a) Structure of proposed TCO-based optical waveguide phase shifter; (b) permittivity distribution of HfO2/TCO interface; (c) real and (d) imaginary parts of permittivity on gate voltage of cross-section cumulative layer of CdO film as functions of coordinate

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图 3. 实现2π移相时,TCO移相器的器件长度L2π、吸收系数α和器件插入损耗iloss, 2π 随外加电压的变化关系。(a)(b)单层模型;(c)(d)多层模型

Fig. 3. Device length L2π, absorption coefficient α, and insertion loss iloss, 2π of proposed TCO-based phase shifter as functions of gate voltage for achieving 2π-phase shift. (a)(b) Single-layer model; (c)(d) multi-layer model

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图 4. 基于TCO移相器的性能对比分析。基于CdO移相器的电场调控下|E|2的分布,(a) Vg=0和(b) Vg=1.4 V;在栅电压为1.4 V时TM模式的场分布,(c) Hx和(d) Ey;(e)基于SnO材料和(f)基于CdO材料的波导移相器电场分量在不同电压下沿着图4(c)中心白色虚线的分布;基于4种TCO材料的光波导移相器在最优工作电压下,累积层TCOacc的介电常数分布,(g)实部和(h)虚部

Fig. 4. Performance comparative analysis of TCO-based phase shifters. Distributions of |E|2 of CdO-based phase shifter at gate voltages of (a) Vg= 0 V and (b) Vg= 1.4 V; distributions of (c) Hx and (d) Ey of TM mode at gate voltage of 1.4 V; distributions of electric-field component along central white dot line in Fig. 4(c) at different gate voltages for (e) SnO-based and (f) CdO-based waveguide phase shifters; (g) real and (h) imaginary parts of permittivity of accumulation layer TCOacc of waveguide ph

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图 5. 器件结构参数对移相器性能的影响 。(a) CdO厚度;(b)硅波导的宽度和高度

Fig. 5. Influences of device structural parameters on phase shifter performance. (a) CdO thickness; (b) width and height of silicon-based waveguide

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表 14种TCO材料的光学性能参数

Table1. Optical performance parameters of four kinds of TCO materials

TCOmaterialBand gap /eVEffective massm*/meMobility μ /(cm2·V-1·s-1)εStatic dielectricconstant εsReference
CdO2.40.183005.4018.1[23]
ITO3.80.35504.009.3[16]
SnO3.60.30503.9012.5[24]
ZnO3.40.28353.858.3[25]

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表 2基于不同TCO材料的硅波导移相器在产生2π相移时的性能参数

Table2. Performance parameters of silicon-based waveguide phase shifters based on different TCO materials when generating 2π-phase shift

TCOmaterialSingle-layer modelMulti-layer model
iloss, 2π /dBVg, opt /VL /μmVπL /(V·cm)iloss, 2π /dBVg, opt /VL /μmVπL /(V·cm)
CdO2.372.01550.0162.8031.42530.018
ITO6.91.63230.0268.0341.24370.028
SnO7.91.62420.0199.2501.23770.022
ZnO12.61.42540.01814.800.85110.020

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聂立霞, 张燕, 鲜仕林, 秦俊, 王会丽, 毕磊. 基于高迁移率透明导电氧化物的高速、低插入损耗硅基光波导移相器研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(15): 152302. Lixia Nie, Yan Zhang, Shilin Xian, Jun Qin, Huili Wang, Lei Bi. High-Speed and Low-Insertion-Loss Silicon Waveguide Phase Shifter Based on High Mobility Transparent Conductive Oxides[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(15): 152302.

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