导电金属氧化物薄膜和微纳光学结构复合体系中空间电光调制技术基础问题研究

Optical modulator is one of the key components in optics communication and optical signal processing system. Advanced optical modulation technique based on new materials and new device structures is one of the hot topics.In this project, we are going to investigate a novel optical modulation technique based on metal oxide and micro/nano optical structures and develop a prototype for the potential application in high-speed spatial optical communication and signal processing.In this technique, we combine the high-speed carrier density tuning properties of metal oxides like ITO and the optical field and spectral enginnering properties of micro/nano-optical structures to realize electro-optic modulation.Especially, the metal oxides have high carrier density and show a near-zero real part of the dielectric constant in near-infrared,i.e. electrically driven transfer between metal state and dielectric state, which results in a large modification of the optical transmission and absorption properties. Furthermore, the micro/nano-optical structures provide highly confined optical fields, i.e. strong interaction between light and metal oxides. These two factors ensure high-efficency optical modulation. To achieve this object,we are going to develop the metal oxide thin film growth technique and investigate the relation between the carrier density and the electrical driven signal,study the light behavior in micro/nano-optical structure and the thin film composite, fabricate and demonstate high-efficiency spatial optical modulation and devices.

光调制器是光通信与信息处理领域的关键器件之一，基于新材料和新器件结构发展高效的光调制技术是研究热点之一。本项目面向高速空间光通信和光信息处理对空间光调制技术的需求，拟开展基于导电金属氧化物和微纳光学结构复合体系的新型电光调制技术与器件的研究。利用导电金属氧化物的载流子浓度可高速调控的特性，结合具有电场调控和光谱裁剪能力的微纳光学结构，实现电光调控。这类金属氧化物具有高载流子浓度，在近红外波段其介电常数实部接近零，即可电控获得金属态与介质态的转换，引起光传输与光吸收的极大改变。光微纳结构可实现光场的高度局域，即增强光与金属氧化物的相互作用。这两者结合实现高效光调制。为实现上述目标，本项目将开展导电金属氧化物薄膜的材料生长技术以及外加偏压下薄膜载流子浓度变化关系的研究，分析微纳光学结构与薄膜材料复合体系中的光传输行为，并解决器件结构中光电集成的问题，最终展现高效的空间电光调制性能和原型器件。

光调制器在光通信、光信号处理、全息成像等领域均具有重要应用，然而目前缺乏低成本小型化的高速空间光调制器。本项目研究的导电氧化物材料具有新颖的介电常数实部近零ENZ效应，能显著提高光与有源材料的相互作用，通过构建MOS或SIS电容结构对载流子进行高速注入或抽取，可实现其介电常数的可控变化，从而利用这种变化对微纳光学结构中光场分布的调控和对入射光吸收的改变，实现振幅型的高效电吸收空间电光调制。具体研究内容包括：1）高质量导电金属氧化物薄膜的制备与电调制特性研究；2）导电金属氧化物与微纳光学结构的相互作用机理研究和器件设计；3）微纳光学结构增强的导电金属氧化物电光调制特性研究与器件研制。我们开发出ITO材料的磁控溅射工艺和ZnO材料的脉冲激光沉积工艺；获得高质量的10 纳米级ITO和ZnO薄膜，零偏压下载流子浓度在1019cm-3～1021cm-3 间可调控，通过椭偏仪和霍尔分析仪获得ITO和ZnO薄膜的载流子浓度、介电常数、迁移率等电光响应数据。基于ITO和ZnO薄膜与超材料吸收器结构、导模共振结构、纳米线阵列结构、V形槽结构等组成的复合体系，研究了近红外波段的透射/反射空间电光调制，振幅调制深度达到85%，并获得1800nm到5000nm超宽波长范围的光调制。开发出ITO和ZnO薄膜与超材料、硅纳米光栅及硅波导等微纳光学结构的集成工艺和超材料、硅纳米光栅及硅波导等器件设计，获得调制深度达到19dB（超材料结构）和9.8dB/um（硅波导结构），在驱动电压4V下获得调制速度大于50MHz的空间电光调制，并制备了最大18个调制器的阵列。这些结果为深入理解TCO这类新型电光调制材料和实现低成本高速空间光调制器具有积极作用。项目研究成果共发表SCI检索论文11篇，EI检索论文1篇；授权美国发明专利1项，授权中国发明专利3项，审理中中国发明专利2项。项目研究成果共发表SCI检索论文11篇，EI检索论文1篇；授权美国发明专利1项，授权中国发明专利3项，审理中中国发明专利2项。