研究背景
随着信息化时代不断推进，大容量、高速、并行的光信息处理技术无疑将成为未来发展的趋势。作为实时光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件，电光调制器件通过对光束幅度、相位、偏振等参量进行调控，能够将电驱动信息荷载到光波，借助光的固有速度、并行性和互连能力达到对信息的高速处理。电光调制器主要基于材料的电光效应（如Pockels、Kerr或半导体载流子色散），通过外加电场引起折射率变化，进而实现光波调制。
当前，硅微电子与光电子集成技术的进步以及二者的紧密结合，使得电光调制技术面临着全新的发展机遇。通过CMOS集成电路与电光材料的片上集成，有望极大地促进器件微型化和大规模集成。因此，CMOS兼容的硅基或全硅调制技术成为该领域的重要发展方向。基于全硅材料的电光调制主要瓶颈在于硅本身的电光效应较弱，在集成光学中通过硅波导的长距离作用或微腔增强效应虽可获得足够调制深度，但需要牺牲器件尺寸或带宽为代价。全硅材料的空间光调制则更加难以实现，需结合高局域或高品质因子的谐振结构来促进光与物质作用，随之而来的是器件的高损耗或窄光谱调制等性能问题。硅基上异质基集成优异电光特性材料无疑是解决以上问题的有效途径。例如，目前主流空间光调制器采用硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）技术，兼具了小尺寸、低功耗、高分辨率和帧率等性能特点。然而，需要指出的是基于液晶电光效应的上述技术仍存在调制速度慢、精度低，以及幅度和相位无法独立调控的问题。
介电常数近零（Epsilon-Near-Zero，ENZ）效应是近年来备受瞩目的研究热点，利用电位移矢量守恒原理可将光场限制在纳米级薄层内获得极小的模式体积，进而有效促进光与物质互作用，在全光开关、电光调制、完美吸收体/发射体等领域上都展现出了巨大应用空间。值得指出的是，通过典型的MOS电容架构调控半导体薄层内载流子浓度，可有效地调控ENZ的模式开启与关断。ENZ模式的这种电调控主要表现在光场在薄层内的局域与否，借助特定结构设计可实现光的完全吸收或极低损状态。虽同属于自由载流子色散机理，这种基于ENZ效应的电吸收（Electro-Absorption，E-A）调制相较于硅或其他半导体材料的电折射（Electro-refraction，E-O）效应更加高效。
最近几年，国际上已先后报道了多种基于硅基波导的ENZ调制器，在器件尺寸和各方面性能极具优势。目前，ENZ效应在透明导电氧化物（TCOs）材料体系上的研究居多，硅材料的ENZ效应尤其是基于硅的ENZ电调制仍未见报道。在已有报道的硅基ENZ效应的电光调制器件中，硅仅作为电容的栅控极，仅在TCOs中产生ENZ调制，因此器件只在TCOs的ENZ调控波段范围内工作。
论文亮点
暨南大学陈沁、文龙课题组联合英国格拉斯哥大学David R.S. Cumming院士团队最近报道了基于硅纳米深槽三维电容结构的空间光调制器，成功展示了硅与TCOs的双材料ENZ调控，工作波段覆盖近红到中红外的宽谱范围。如图所示，硅/介质/TCOs所形成的半导体/介质/半导体结（SIS）在电调控下，介质两侧半导体表面层载流子浓度可实现双材料（硅和TCOs）ENZ模式。同时，沿光波传播方向构建的硅纳米深槽结构有利于ENZ模式的高效E-A调制。在无偏压下展现为低损耗状态，而在偏压下展现为高吸收状态。
图1 (a)基于硅纳米深槽的双材料ENZ空间光调制器示意图；(b)不同外加偏压状态下，硅与TCOs材料侧的ENZ模式损耗情况；(c)实验制作的硅基空间光调制器SEM图
结合密度梯度量子-漂移扩散电学模型和光学表征参数拟合的光学模型，该文章深入阐述了纳米SIS电容结构内部的载流子积累和ENZ模式调控行为，证实了实验中近红到中红外波段所展示的电光调制来源于硅与TCOs材料的ENZ模式调控。在获得宽光谱、大调制深度的基础上，研究人员针对高速电光调制需求提出进一步优化方案。如图2所示，采用p-Si/介质/TCOs的电容结构相较于n-Si/介质/TCOs体系可获取更高的动态调制速度。优化结果表明，基于硅纳米深槽的双材料ENZ电光调制器在近红到中红外波段可以获取较大的调制深度以及纳秒级的工作速度。
图2 基于双材料ENZ空间光调制器的开关速度及调制深度展示
