基于双发色团分子玻璃的片上光互连用混合等离子波导电光调制器研究

Low power, high-speed optical modulators are key parts for on-chip optical connections. Silicon-organic hybrid electro-optic (EO) modulators have merits of fast response and low loss. However, the departure of dielectric waveguide and metal electrode weakens the restriction of optical field, which results in larger size and power consumption. This is unfavorable to high density optical integration. Based on the well work on poled polymeric high-speed EO modulators, highly nonlinear organic chromophores are adopted in the design and fabrication of silicon-metal hybrid photonic-plasmonic waveguide for the purpose of decreasing mode field size and increasing optical energy intensity. Super-molecular design method is used to enhance the proportion of chromophores and center- asymmetry. With the introduction of relatively small chromophore, the rotation freedom and alignment of double-chromophore glassed are optimized, which is favorable to the optical nonlinearity. Three-dimensional metal electrode design realizes the integration of photonic-plasmonic mode converter and phase modulation element. With the optimization of slot size, the transmission loss, plasmonic vector and optical modulation are enhanced, and a wideband EO modulator with a power consumption of 35 fJ/bit would be fabricated, which may promote the development of on-chip optical connection techniques.

低功耗宽带光调制器是实现片上光互连的核心器件。基于有机非线性材料的硅基波导电光调制器具有速率快和损耗低等优点，但其介质波导与金属电极分离的结构弱化了光场束缚能力，导致尺寸和功耗相对较大，不利于实现高密度光子集成。本项目从提高光场能量密度角度出发，将高非线性双发色团有机分子玻璃材料应用于硅基金属混合等离子波导电光调制器。拟利用超分子偶极组装方法提高发色团含量和非线性，通过小偶极分子的引入增强电场诱导时发色团分子的转动自由度和极化取向率，合成可用于SOI硅-金属狭缝结构的电光分子玻璃材料；系统研究在硅波导中实现光子-等离子模式转换和相位调制单元集成的设计方法，阐明有机/无机复合结构中等离子增强的物理机制，解决影响电光调制效率、响应速度和稳定性的关键科学问题，利用CMOS工艺制备MZI型混合等离子波导电光调制器，功耗小于35fJ/bit，为推动硅基片上光互连应用和发展提供可靠理论指导和实验依据。

低功耗宽带光调制器是实现片上光互连的核心器件。基于有机非线性材料的硅基波导电光调制器具有速率快和损耗低等优点，但其介质波导与金属电极分离的结构弱化了光场束缚能力，导致尺寸和功耗相对较大，不利于实现高密度光子集成。本项目从双偶极发色团分子玻璃非线性机理出发，研究了双偶极发色团分子玻璃化转变温度与极化工艺对电光特性和光损耗的影响；通过对混合等离子波导（HPPW）硅波导宽、高度和电光层宽度对模式分布、有效折射率、有效场面积和传输损耗影响的分析，确定了HPPW的几何尺寸；研究了调制区中狭缝宽度、光波长、波导等效折射率以及楔形金属岛结构损耗与Lπ之间的关系，结合零电压条件下线性工作状态的预偏置条件，确定了MZI结构相关几何参数；建立了基于HPPW结构电容和电极电容的RC模型；研究了采用电子束光刻和等离子刻蚀方法制备硅波导的工艺参数，优化了金属电极制备方法和微观结构；设计了硅波导衍射光栅耦合器和输入/输出波导，研究了衬底校准对RF探针测量中回波损耗的影响，确定了3 dB工作带宽和半波电压。本研究利用柔性链将极性和尺寸不同的两个发色团分子头-尾相连，根据介电常数和序参数的变化，证实了二聚体中两种发色团比例和尺寸变化与电光活性之间的关系，揭示了小偶极分子在强电场极化时，对提高双发色团分子玻璃转动自由度和取向率的作用，阐明了削弱高非线性偶极基团间分子作用力的机制；通过数值分析方法研究了低损耗硅波导对非线性介质中等离子模场分布的影响，从材料结构变化的角度揭示了折射率差所引起的金属-介质交界面处电场突变规律，明确了混合波导结构与电光分子玻璃材料极化效率和电光弛豫的关系。这种从波导结构出发，利用高电光活性有机材料增强波导非线性的设计方法对于片上互连用电光调制器的小型化，具有一定的理论意义和实验指导价值。