CN105372853A - 基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器 - Google Patents

基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，包括基底层、直光波导、微环谐振腔波导及石墨烯覆盖层，直光波导和微环谐振腔波导嵌入基底层内，且所述直光波导和微环谐振腔波导之间留有耦合间距，所述石墨烯覆盖层部分覆盖在微环谐振腔波导上表面；所述石墨烯覆盖层包括第一石墨烯层、第二石墨烯层、二硫化钼、第一电极及第二电极，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间通过二硫化钼隔离，所述第一石墨烯层从微环谐振腔波导一侧向外延伸并连接第一电极，所述第二石墨烯层从微环谐振腔波导另一侧向外延伸并连接第二电极。本发明具有超低的光损耗和较低的热光系数，***损耗小，对环境温度的容忍度大，调制深度好，消光比高。

Description

基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器
技术领域
本发明涉及一种电光调制器，属光电子技术领域，更具体的说是涉及一种基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器。
背景技术
光调制器是光通信***的基础和关键部件，其功能是改变通过光调制器的光载波的强度、相位、偏振等特性，将电信号加载到光载波上。传统光调制器大多基于铌酸锂材料的电光、热光或者基于硅载流子的色散效应，一般器件体积较大。
石墨烯的问世已经引起了全世界的研究热潮，它是已知材料中最薄的、最牢固坚硬的、结构也非常稳定的。作为一种密集蜂窝状晶格结构的二维碳原子单层，它不仅具有优良的导电性能，在室温下传递电子的速度比已知导体都快，而且呈现出与众不同的光学特性。石墨烯的这些特性使得其在光调制器上可以充分发挥其优势（见文献MingLiu,XiaoboYin,Ulin-Avila,etal.Agraphene-basedbroadbandopticalmodulator.Nature,2011,Vol474,p64-67）。但目前石墨烯材料大多直接放在脊形硅光波导上，其电光作用是通过改变光波导外的消逝场来实现的，相当于对光波导施加微扰来改变整个光波导，因而对整个光波导的作用较弱，调制深度差，导致调制信号的消光比低。另外，硅材料光波导本身有相对较高的光损耗，另外还存在对环境温度相对较敏感的问题。
石墨烯的发现让人们对物质世界的认知增加了一个“维度”，即二维材料。逐渐地，人们认识到自然界中存在许多材料与石墨类似结构的层状材料，即单层内由强的共价键构成而层间相互作用为弱的范德华力，因而这类材料可以较容易地制备成类石墨烯结构的二维材料，例如二硫化钼。单层二硫化钼材料具有理想的开关比(高达109)，以及跟硅相媲美的电子迁移率，约1000cm2V-1s-1（见文献B.Radisavljevic,A.Radenovic,J.Brivio,etal.Single-layerMoS2transistors.Nat.Nanotechnology,2011,Vol6,p147-150）。
本发明的目的是为了解决传统电光调制器尺寸较大和目前硅光波导调制器中存在的对环境温度相对敏感的难题，并针对目前石墨烯光调制器的调制深度差、消光比低的不足，提出了基于石墨烯/二硫化钼异质结微环谐振腔电光调制器，二硫化钼具有跟石墨烯互补的电子和光学特性，可以发挥石墨烯和类硫化钼材料在光学和电子特性上的各自优势，可大大提高电致光学吸收的效率；用氮化硅作为波导材料，利用直光波导和微环谐振腔之间的耦合效应，调控环形腔的损耗来对光信号进行调制。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，解决了以往电光调制器对环境温度相对敏感，以及现有石墨烯光调制器的调制深度差、消光比低的技术难题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，包括基底层、直光波导、微环谐振腔波导及石墨烯覆盖层，直光波导和微环谐振腔波导嵌入基底层内，且所述直光波导和微环谐振腔波导之间留有耦合间距，所述石墨烯覆盖层部分覆盖在微环谐振腔波导上表面；所述石墨烯覆盖层包括第一石墨烯层、第二石墨烯层、二硫化钼、第一电极及第二电极，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间通过二硫化钼隔离，所述第一石墨烯层从微环谐振腔波导一侧向外延伸并连接第一电极，所述第二石墨烯层从微环谐振腔波导另一侧向外延伸并连接第二电极。
作为本发明的第一个优化方案，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层在微环谐振腔波导上端重叠，且第一石墨烯层和第二石墨烯层被二硫化钼隔离构成异质结。
作为本发明的第二个优化方案，所述耦合间距的间距大小为0.2~0.9μm。
作为本发明的第三个优化方案，所述直光波导和微环谐振腔波导的材料是氮化硅。
作为本发明的第四个优化方案，所述基底层的材料为二氧化硅。
作为本发明的第五个优化方案，所述第一电极和第二电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或者二种以上的合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的电光调制器用氮化硅作为波导材料，具有超低的光损耗和较低的热光系数，***损耗小，对环境温度的容忍度大。
2、本发明相比于传统铌酸锂材料的电光调制器具有更小的器件尺寸，石墨烯具有宽光谱吸收，适用的光谱范围大大提高，且与传统CMOS工艺兼容。
3、本发明的电光调制器中由于石墨烯具有超高的电子迁移率，从而具有超高的调制速率。
4、本发明与单纯的石墨烯材料相比，通过二硫化钼和第一石墨烯层、第二石墨烯层构成异质结，可以克服石墨烯弱光学响应的缺点，二硫化钼具有跟石墨烯互补的电子和光学特性，可以发挥石墨烯和二硫化钼材料在光学和电子特性上的各自优势，可大大提高电致光学吸收的效率，调制深度好，消光比高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明石墨烯覆盖层的横截面示意图；
图3是本发明的实施例电光调制器工作原理示意图；
图4是本发明的实施例电光调制器归一化传输函数随着微环谐振腔光损耗因子变化而变化的曲线图；
图中的标号分别表示为：1-基底层；2-直光波导；3-微环谐振腔波导；4-石墨烯覆盖层；41-第一石墨烯层；42-第二石墨烯层；43-二硫化钼；44-第一电极；45-第二电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1、图2所示，基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，包括基底层1、直光波导2、微环谐振腔波导3及石墨烯覆盖层4，直光波导2和微环谐振腔波导3嵌入基底层1内，且所述直光波导2和微环谐振腔波导3之间留有耦合间距，所述石墨烯覆盖层4部分覆盖在微环谐振腔波导3上表面；所述石墨烯覆盖层4包括第一石墨烯层41、第二石墨烯层42、二硫化钼43、第一电极44及第二电极45，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间通过二硫化钼43隔离，所述第一石墨烯层41从微环谐振腔波导3一侧向外延伸并连接第一电极44，所述第二石墨烯层42从微环谐振腔波导3另一侧向外延伸并连接第二电极45。
进一步的，所述第一石墨烯层41和第二石墨烯层42在微环谐振腔波导3上端重叠，且第一石墨烯层41和第二石墨烯层42被二硫化钼43隔离构成异质结。
进一步的，所述耦合间距的间距大小为0.2~0.9μm。
进一步的，所述直光波导2和微环谐振腔波导3的材料是氮化硅。
进一步的，所述基底层1的材料为二氧化硅。
进一步的，所述第一电极44和第二电极45的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或者二种以上的合金。
本发明的工作原理是：电光调制器工作时，偏置电压通过第一电极44和第二电极45加在石墨烯覆盖层4上，通过改变偏置电压，动态调谐石墨烯的复介电常数，从而影响微环谐振腔波导3对光的吸收；二硫化钼43具有跟石墨烯互补的电子和光学特性，可以发挥石墨烯和二硫化钼材料在光学和电子特性上的各自优势，石墨烯/二硫化钼构成的异质结可大大提高电致光学吸收的效率。当微环谐振腔波导3中光损耗很严重时，光信号直接从直光波导2输出，相当于“ON”状态；当微环谐振腔波导3中光损耗很低时，光信号耦合进微环谐振腔波导3中，直光波导2无光信号输出，相当于“OFF”状态。因而，调控微环谐振腔波导石墨烯的光学特性即可实现对光信号的调制功能。
本发明石墨烯材料具有超高的电子迁移率，这表明基于石墨烯的电光调制器可以具有超高的调制速率；二硫化钼具有跟石墨烯互补的电子和光学特性，可以发挥石墨烯和类硫化钼材料在光学和电子特性上的各自优势，石墨烯/二硫化钼异质结可大大提高电致光学吸收的效率；氮化硅材料相对于硅材料，具有更低的热光系数和更低的光损耗，因而对环境温度的容忍度更大，引入的***损耗更低。
具体实施方式
本实施例采用波长为1.55μm的光波，基底层1材料为二氧化硅，直光波导2和微环谐振腔波导3的材料是氮化硅，直光波导2宽度和厚度分别为1μm和0.3μm，耦合间距为0.5μm，微环谐振腔波导3的外半径为40μm；第一电极44和第二电极45的材质为金。
图3是本实施例电光调制器的工作原理示意图，外加电压可动态调谐石墨烯对光的吸收系数，从而控制微环谐振腔波导3的光损耗；当微环谐振腔波导3的光损耗很小时，光耦合到微环谐振腔波导3中，直光波导2无信号输出，光调制器相当于“OFF”状态；当微环谐振腔波导3的光损耗很大时，光直接从直光波导2中输出，光调制器相当于“ON”状态。图中、分别为耦合前直光波导和微环谐振腔波导的光信号，、分别为耦合后直光波导和微环谐振腔波导的光信号，、分别是自耦合系数、交叉耦合系数，是微环谐振腔光损耗因子，可写为，上式中，Im(neff)代表波导有效折射率的虚部，l代表石墨烯的长度，λ代表入射光波长。
图4是本实施例电光调制器归一化传输函数随着微环谐振腔光损耗因子变化而变化的曲线图；直光波导2与微环谐振腔波导3之间的耦合可以描述为：
，（1）
式中：
该光调制器的归一化传输函数可以描述为：
（2）
当=0.8时，电光调制器归一化传输函数随着微环谐振腔光损耗因子变化而变化的曲线如图4所示，从式（1）、式（2）和图4中可以得出，外加偏压致使微环谐振腔光损耗因子时，没有光输出；当时，光信号几乎无损耗的通过，从而实现对光信号的调制。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，其特征在于：包括基底层(1)、直光波导(2)、微环谐振腔波导(3)及石墨烯覆盖层（4），直光波导(2)和微环谐振腔波导(3)嵌入基底层(1)内，且所述直光波导(2)和微环谐振腔波导(3)之间留有耦合间距，所述石墨烯覆盖层（4）部分覆盖在微环谐振腔波导(3)上表面；所述石墨烯覆盖层（4）包括第一石墨烯层(41)、第二石墨烯层(42)、二硫化钼(43)、第一电极(44)及第二电极(45)，第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)之间通过二硫化钼(43)隔离，所述第一石墨烯层(41)从微环谐振腔波导(3)一侧向外延伸并连接第一电极(44)，所述第二石墨烯层(42)从微环谐振腔波导(3)另一侧向外延伸并连接第二电极(45)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，其特征在于：所述第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)在微环谐振腔波导(3)上端重叠，且第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)被二硫化钼(43)隔离构成异质结。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，其特征在于：所述耦合间距的间距大小为0.2~0.9μm。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，其特征在于：所述直光波导(2)和微环谐振腔波导(3)的材料是氮化硅。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，其特征在于：所述基底层(1)的材料为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二硫化钼异质结的微环谐振腔电光调制器，其特征在于：所述第一电极(44)和第二电极（45）的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或者二种以上的合金。
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