本發(fā)明涉及一種基于金屬-半導體有源區(qū)-金屬平行板波導結構的等離激元有源波導開關，屬于納米光子學應用領域。

背景技術：

利用表面等離激元的亞波長特性，光能被約束在空間尺寸遠小于其自由空間波長的區(qū)域，因此表面等離激元器件可以用來制作高集成度的納米光子芯片。目前，納米光子平面集成應用中，主要有兩種多層異質結構：一是將金屬薄膜嵌入介質材料中，形成介質-金屬-介質(IMI)結構；二是在金屬材料中引入一條介質的縫隙，形成金屬-介質-金屬(MIM)結構。

IMI結構和MIM結構中表面等離激元的傳輸損耗主要來自于金屬層。一般來說，對光約束能力強、空間尺寸小的結構會伴隨著較大的損耗。IMI結構是犧牲對光的空間約束能力而獲得較小的損耗和較大的傳輸長度；而MIM結構則是以較大的損耗來換取對光更強的約束能力。對納米光子器件的集成度要求越高，意味著對光要求更強的約束能力，這時MIM結構更適合。

為解決MIM結構中金屬內在吸收特性引起的表面等離激元的損耗問題，可以在多層異質結構中引入增益介質，比如將MIM中介質層替換為半導體增益介質來降低甚至抵消表面等離激元的傳輸損耗，但也存在電泵浦閾值電流高、增益效應微弱等缺點，不足以用來實現(xiàn)表面等離激元光信號的放大調制應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：滿足納米光子集成電路對納米小尺寸緊湊結構和超快速信號調制的需求。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是提供了一種等離激元有源波導開關器件，其特征在于，包括在GaAs襯底上生長的數(shù)層垂直排列的InAs量子點層，每個InAs量子點層上覆蓋有In_0.17Ga_0.83As量子阱層，相鄰兩個InAs量子點層由一層p-GaAs空間隔離層隔離，InAs量子點層及p-GaAs空間隔離層構成有源增益介質，在有源增益介質兩端分別生長有n型AlGaAs摻雜層及p型AlGaAs摻雜層，采用化學刻蝕和金屬鍵和技術，在n型AlGaAs摻雜層和p型AlGaAs摻雜層上各制作有5納米厚的可用作電極的雙面金屬。

優(yōu)選地，所述In_0.17Ga_0.83As量子阱層為5納米厚。

優(yōu)選地，所述n型AlGaAs摻雜層為10納米厚；所述p型AlGaAs摻雜層為10納米厚。

在本發(fā)明中，雙面金屬波導結構能將表面等離激元橫磁模式局域在緊鄰金屬界面處。減小金屬層的厚度，可以增加整個波導器件的等效折射率。因此，本發(fā)明中金屬層厚度設為5納米左右。

為防止電泵浦時電極與增益材料連接處發(fā)生載流子的非平衡分布和復合，在增益材料的頂部和底部引入n摻雜層和p摻雜層，載流子通過這些層注入增益區(qū)。開關器件的性能與有源區(qū)的厚度有關，當金屬層厚度各為5納米時，增加有源區(qū)的厚度可以提高增益效果，因此本發(fā)明中有源區(qū)為100納米。

在本發(fā)明中，由于多層InAs量子點處于In_0.17Ga_0.83As層之間，因而會形成以InAs量子點充當勢阱和In_0.17Ga_0.83As層充當勢壘的量子阱結構。該結構不僅可以對載流子產生量子限制作用，以便獲得1.3微米波長的發(fā)光，而且還會限制光子的物理行為。如果對該結構施加一個正向偏壓，將會產生電子和空穴的注入，有源區(qū)中的載流子被InAs量子點所俘獲，其后再弛豫到最低的量子化能級中，結果將形成導帶與價帶之間的載流子反轉分布，進而在量子點有源區(qū)產生增益。當輸入表面等離激元光信號波長為器件所設計的1.3微米時，伴隨著電子與空穴的復合，光信號的放大現(xiàn)象會隨之產生。

本發(fā)明在具備MIM型表面等離激元器件同樣的小尺寸特點外，具有電泵浦時閾值電流低、信號調制能力強的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種一種等離激元有源波導開關器件的示意圖，圖中：M1表示金屬板、M2表示金屬板、Pcladding表示P型AlGaAs摻雜層、Spacer表示P型摻雜GaAs空間隔離層、QD表示半導體量子點，QW表示InGaAs量子阱層。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

結合圖1，本發(fā)明提供的一種等離激元有源波導開關器件的制作過程為：

第一步、在GaAs襯底上采用Stranski-Krastanov等半導體工藝生長5層垂直排列的InAs量子點層。在InAs量子點層上覆蓋有5納米厚的In_0.17，Ga_0.83As量子阱層，并且相鄰兩個InAs量子點層之間通過一個厚45納米的p-GaAs空間隔離層隔離，以便緩解應變效應導致材料光學性能變差的問題。

第二步、在第一步得到的有源增益介質兩端分別生長10納米厚的n型AlGaAs摻雜層和p型AlGaAs摻雜層，電泵浦時為增益區(qū)提供載流子。采用化學刻蝕和金屬鍵和技術，在n型AlGaAs摻雜層和p型AlGaAs摻雜層上制作各有5納米厚的雙面金屬，將半導體層封裝在金屬中，實現(xiàn)金屬-半導體有源區(qū)-金屬平行板波導結構。

使用時，將金屬板用作電極，連接電源。當電極上的電壓或電流接通時，處于導通狀態(tài)，此時相應波長的等離激元光子在半導體有源區(qū)產生增益，實現(xiàn)信號放大。當電極上的電壓或電流關斷時處于關斷狀態(tài)，半導體有源區(qū)材料表現(xiàn)出高損耗，信號減弱。通過調整電極上的電壓或電流大小，就可以實現(xiàn)等離激元光子信號的開關調制。