电光开关的等离子体吸收体的电可调谐性是高度可调的。通过施加偏置电压，在氧化物层中产生较大的场强，同时载流子在氧化物-半导体界面处形成累积层或耗尽层（金属的载流子浓度较大，耗尽层相比于半导体来说可以忽略不计）。载流子浓度的变化引起折射率的改变，导致光谱特性也发生变化，利用这一点，我们可以制作电偏置的开关。如题1所示，我们的设计采用金属-氧化物-半导体电容器配置（MOS），包括金属Au镜面，氧化钛间隔层和半导体氧化铟锡（ITO）材料。铝在红外具有高反射率，因此是一种合适的结构材料。作为活性层的 ITO 薄膜被 插入元表面和间隔物之间。Au层和ITO层作为电极材料，当在 ITO 和底部 Au 之间施加电压时，ITO 层中的自由电子会在 ITO 和氧化钛的界面附近聚集。氧化钛具有很高的相对介电常数（κ =81），因此内部可以产生很强的电场，载流子也因此可以大量聚集。因此，通过外加电场效应载流子的积累，可以实现ITO折射率的显著电压可调变化，从而对入射的偏振光实现光学性能的调谐，即电光开关。
图1 MOS结构及加电偏置示意图
透明导电氧化物（TCO）中的ITO作为一种有前途的等离子体材料被广泛研究，具有低损耗和制造兼容性，ITO的光学介电常数可以用Drude模型近似：
其中，ε∞是高频介电常数，ω是光波的角频率，γ是与自由载流子阻尼系数，wp是等离子屏率。其中等离子体频率定义如下：
等离子体频率由载流子浓度和有效质量m*有关。根据上述公式，光学材料的介电常数随载流子浓度的变化而变化。其中MOS型结构中加电压前后载流子浓度变化引起的折射率变化如下公式:
在本文的例子中，我们先通过Lumerical Charge软件仿真结构的电学特性，外加电压为正负5V，仿真ITO薄膜的载流子浓度随外加电压0V、5V、-5V载流子浓度的变化，由于载流子浓度的变化会导致薄膜等离子频率的变化，因此会导致光谱的变化，所以把电学数据通过Lumerical FDTD软件求解器件的光学性质变化，证明电光开关的可行性。
通过在ITO薄膜上加载流子浓度的监视器，可以得到ITO薄膜中的载流子浓度随偏置电压的变化，外加-5V电压时，左侧（ITO和TiO2交界处）形成载流子耗尽层，外加5V电压时，形成载流子累积层。
图2 ITO薄膜在外加电压下的载流子浓度分布
对具有不同载流子浓度分布ITO薄膜的器件进行反射率光谱仿真，外加偏振光斜入射，得到如图3所示的光谱，可以证明MOS结构可以实现电偏置的吸收调谐器。
图3 MOS结构在外加电压下的光谱分布
为了更好地理解MOS器件吸收的性质，我们模拟了TiO2和ITO薄膜的电场分布，如图4所示，电场大部分局域在ITO和TiO2界面并且靠近ITO薄膜，说明ITO薄膜吸收了大部分的光强，导致在2.23um左右出现一个反射谷。
图4 MOS结构的电场分布
最后，有相关需求欢迎联系我们
