CN110824732B - 一种石墨烯电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯电光调制器，包括第一绝缘材料层，掩埋于第一绝缘材料层中的输入波导、输出波导；掩埋于第一绝缘材料层中的位于输入波导和输出波导之间的亚波长结构；设于第一绝缘材料层上方的第二绝缘材料层，其内部上下布置两层石墨烯，两层石墨烯向外延伸并与金属电极连接，且下层石墨烯与亚波长结构之间、上层石墨烯与下层石墨烯之间均以绝缘材料间隔开来；设于第二绝缘材料层上方的第三绝缘材料层，与金属电极相连。本发明所提出的亚波长结构波导，其有效折射率低于普通波导折射率，对光的束缚作用减弱，调制效率可提高一个数量级，调制器的尺寸也相应地减小一个数量级，***损耗也得以降低，从而实现了调制器的超小型化和高度集成。

Description

一种石墨烯电光调制器
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种石墨烯电光调制器。
背景技术
光调制器、光源、光电探测器和光放大器是光有源器件的四种重要类型，其中光调制器是高速、长距离光通信的关键器件。近年来随着人工智能以及大数据计算的兴起，人们对通信的容量、带宽和速率需求呈爆发式增长，硅基光调制器获得飞速发展，且硅材料已经被广泛应用于CMOS集成电路，其结构制作工艺成熟，可进行大规模、低成本生产。
石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，具有独特且优异的光电子学特性。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V·s)，这一数值超过了硅材料的10倍。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/(V·s)。石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3％，看上去几乎是透明的。石墨烯还可以与光强烈的相互作用，可以实现对光的超宽带、高效率调制。石墨烯电光调制器的基本原理是通过调节外加电压来改变石墨烯的化学势，从而实现石墨烯复折射率的变化，其中复折射率的实部变化体现为相位调制，复折射率的虚部变化体现为吸收调制。目前的石墨烯电光调制器仍然在调制效率、器件尺寸以及制备难度之间难以达到平衡。
另一方面，平板光子晶体器件的制备工艺已经十分完善，使用电子束刻蚀(EBL)与电感耦合等离子体(ICP)工艺在绝缘体上硅(SOI)上打孔，直径最小可达60nm以下。且均匀性良好。因此采用打孔工艺制作亚波长结构在工艺上更为可行。另外传统的光子晶体通常采用套刻工艺完成，而若能考虑到ICP过程中波导边缘以及孔的深度的关系对结构进行优化，则可以使用一次性刻蚀完成器件的制作。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯电光调制器，旨在解决现有石墨烯调制器效率低、尺寸大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯电光调制器，包括第一绝缘材料层，其长度、宽度以及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；
掩埋于第一绝缘材料层中的输入波导、输出波导；
掩埋于第一绝缘材料层中的位于输入波导和输出波导之间的亚波长结构，具体实现方式为周期排列的圆孔或方孔；
设于第一绝缘材料层上方的第二绝缘材料层，其在X方向覆盖所述亚波长结构，且在Z方向上于其内部上下布置两层石墨烯，两层石墨烯于Y方向向外延伸并与金属电极连接，且下层石墨烯与亚波长结构之间、上层石墨烯与下层石墨烯之间均以绝缘材料间隔开来；
设于第二绝缘材料层上方的第三绝缘材料层，其在X方向覆盖所述第二绝缘材料层，Y方向上与金属电极相连。
优选地，亚波长结构采用圆孔型，其包括：
位于输入波导之后，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由小变大的第一过渡波导；
位于输出波导之前，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由大变小的第二过渡波导；
位于第一过渡波导和第二过渡波导之间的，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径保持不变的均匀亚波长波导。
优选地，输入波导、输出波导、第一过渡波导、第二过渡波导、均匀亚波长波导的材料一致，为硅、氮化硅、氮氧化硅、砷化镓、锗中的一种。
优选地，第二绝缘材料层的折射率为1.0～2.0，在Z方向的尺寸为3nm～400nm；第三绝缘材料层的折射率为1.7～4.2，在Z方向的尺寸为50nm～1000nm。
优选地，第一过渡波导和第二过渡波导其整体在X方向的尺寸为1μm～100μm，在Y方向尺寸为0.2μm～1.2μm，在Z方向的尺寸为80nm～500nm。
优选地，第一过渡波导的圆孔按一定周期分布，相邻圆孔的间距为60nm～500nm；圆孔的最小半径为4nm～30nm，最大半径为25nm～60nm，圆孔半径在X方向上由小变大，其变化的周期由第一过渡波导的X方向整体长度决定；圆孔半径在Y方向上保持不变。
优选地，第二过渡波导的圆孔按一定周期分布，周期区间为60nm～500nm；圆孔的最小半径为4nm～30nm，最大半径为25nm～60nm，圆孔半径在X方向上由大变小，其变化的周期由第二过渡波导的X方向整体长度决定；圆孔半径在Y方向上保持不变。
优选地，均匀亚波长波导其整体在X方向的尺寸为2μm～100μm，在Y方向尺寸为0.2μm～1.2μm，在Z方向的尺寸为80nm～500nm。
优选地，均匀亚波长波导圆孔半径保持不变，尺寸为25nm～60nm，且在X方向和Y方向上均按一定的周期分布，周期区间为60nm～500nm；周期个数与亚波长结构波导由其在X、Y方向上的尺寸决定。
优选地，第二绝缘材料层在下层石墨烯与亚波长结构以及下层石墨烯与上层石墨烯之间的部分在Z方向上的尺寸为1nm～200nm。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提出的亚波长结构波导，其有效折射率低于普通波导折射率，因此对光的束缚作用减弱，使得TE模式的电场更多的向亚波长结构波导上方的高折射率材料偏移，此时波导上方的石墨烯与光场接触的更加充分，大幅增强了两者之间的相互作用，相比于现有调制器最高调制效率为2.8V·mm的记载，可以使调制效率提高约一个数量级至0.316V·mm，调制器的尺寸也相应地减小一个数量级，***损耗也得以降低，从而实现了调制器的超小型化和高度集成。
(2)传统亚波长光栅波导结构为了减小常规波导与亚波长波导的耦合损耗，需要增加过渡耦合区的长度，通常达数百微米长，不利于超高集成度的硅光芯片中应用，而本发明通过在绝缘体上硅上刻蚀半径均匀变化的圆孔构成过渡区，只需十几微米即可实现低损耗过渡，有利于片上高度集成。
(3)本发明提供的圆孔型亚波长结构波导较为简单，在考虑到ICP过程中波导边缘以及孔的深度的相关关系并对结构参数进行优化后，只需一次性刻蚀即可完成器件的制备，工艺鲁棒性好。
附图说明
图1是本发明提供的石墨烯电光调制器的平面结构示意图；
图2是本发明提供的石墨烯电光调制器的A-A断面图；
图3是本发明提供的石墨烯电光调制器的B-B断面图；
图4是本发明实施例所述石墨烯调制器的圆孔型亚波长结构波导处有效折射率随石墨烯化学势变化的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种石墨烯电光调制器，如图1至图3所示，包括第一绝缘材料层1、低折射率绝缘材料层7、高折射率绝缘材料层10、输入波导2、输出波导3、圆孔型亚波长结构、下层石墨烯8和上层石墨烯9及其各自相连的电极11。将第一绝缘材料层1的长度、宽度以及高度方向分别定义为X、Y、Z方向。
输入波导2、输出波导3和圆孔型亚波长结构均掩埋于第一绝缘材料层1中，其中亚波长结构两端分别与输入波导和输出波导相连，具体实现方式可以圆孔或方孔，优选地，这里采用圆孔型，其包括：
位于输入波导之后，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由小变大的第一过渡波导4，其中，X方向周期设置为135nm，Y方向周期设置为120nm，圆孔半径最小为13nm，最大半径为45nm；
位于输出波导之前，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由大变小的第二过渡波导5，其中，X方向周期设置为135nm，Y方向周期设置为120nm，圆孔半径最小为13nm，最大半径为45nm；
位于第一过渡波导4和第二过渡波导5之间的，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径保持不变的亚波长结构波导6，其中，X方向周期设置为135nm，Y方向周期设置为120nm，圆孔半径为45nm。
设于第一绝缘材料层1上方的低折射率绝缘材料层7，其在X方向覆盖所述的圆孔型亚波长结构，且在在Z方向上于其内部上下布置两层石墨烯。两层石墨烯于Y方向向波导外延伸并与金属电极11连接，且下层石墨烯8与圆孔型亚波长结构之间、上层石墨烯9与下层石墨烯8之间均以绝缘材料间隔开来。
设于低折射率绝缘材料层7上方的高折射率绝缘材料层10，其在X方向覆盖所述的绝缘材料层7，Y方向上分别与两个金属电极11相连。
在本实施例中，输入波导2、输出波导3、第一过渡波导4、第二过渡波导5、亚波长结构波导6的材料一致，选取硅、氮化硅、氮氧化硅、砷化镓、锗中的一种。
低折射率绝缘材料层7的折射率为1.0～2.0，在Z方向的尺寸为30nm。
高折射率绝缘材料层10的折射率为1.7～4.2，在Z方向的尺寸为200nm。
第一过渡波导4和第二过渡波导5其整体在X方向的尺寸均为12μm，在Y方向尺寸为0.36μm，在Z方向的尺寸为220nm。
亚波长结构波导6其在X方向的尺寸为50μm，此时器件可以实现π相移，相比目前的石墨烯调制器其尺寸缩短一个数量级。
亚波长结构波导6其在Y方向尺寸为0.36μm，在Z方向的尺寸为220nm。
低折射率绝缘材料层7在下层石墨烯8与圆孔型亚波长结构以及下层石墨烯8与上层石墨烯9之间的部分在Z方向上的尺寸均为10nm。
至此，该器件可经标准工艺制造完成，通过对所述的石墨烯电光调制器进行仿真，得到其圆孔型亚波长结构波导处的有效折射率随石墨烯化学势的变化曲线，如图4。可见，所述器件可以实现0.0147的有效折射率调谐，只需要长度为52.7μm的尺寸即可实现π相移，相比目前的石墨烯调制器其尺寸缩短一个数量级，对应的调制效率为0.316V·mm，大幅领先目前的石墨烯调制器，因此可以实现调制器的超小型化和高度集成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯电光调制器，其特征在于，包括：
第一绝缘材料层(1)，其长度、宽度以及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；
掩埋于第一绝缘材料层(1)中的输入波导(2)、输出波导(3)；
掩埋于第一绝缘材料层(1)中的位于输入波导(2)和输出波导(3)之间的亚波长结构，具体实现方式为周期排列的圆孔；位于输入波导(2)之后，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由小变大的第一过渡波导(4)；位于输出波导(3)之前，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由大变小的第二过渡波导(5)；位于第一过渡波导(4)和第二过渡波导(5)之间的，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径保持不变的均匀亚波长波导(6)；
设于第一绝缘材料层(1)上方的第二绝缘材料层(7)，其在X方向覆盖所述亚波长结构，且在Z方向上于其内部上下布置两层石墨烯，两层石墨烯于Y方向向外延伸并与金属电极连接，且下层石墨烯(8)与亚波长结构之间、上层石墨烯(9)与下层石墨烯(8)之间均以绝缘材料间隔开来；
设于第二绝缘材料层(7)上方的第三绝缘材料层(10)，其在X方向覆盖所述第二绝缘材料层(7)，Y方向上与金属电极相连。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述输入波导(2)、输出波导(3)、第一过渡波导(4)、第二过渡波导(5)、均匀亚波长波导(6)的材料一致，为硅、氮化硅、氮氧化硅、砷化镓、锗中的一种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第二绝缘材料层(7)的折射率为1.0～2.0，在Z方向的尺寸为3nm～400nm；所述第三绝缘材料层(10)的折射率为1.7～4.2，在Z方向的尺寸为50nm～1000nm。
4.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一过渡波导(4)和第二过渡波导(5)其整体在X方向的尺寸为1μm～100μm，在Y方向尺寸为0.2μm～1.2μm，在Z方向的尺寸为80nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一过渡波导(4)的圆孔按一定周期分布，相邻圆孔的间距为60nm～500nm；圆孔的最小半径为4nm～30nm，最大半径为25nm～60nm，圆孔半径在X方向上由小变大，其变化的周期由第一过渡波导(4)的X方向整体长度决定；圆孔半径在Y方向上保持不变。
6.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第二过渡波导(5)的圆孔按一定周期分布，周期区间为60nm～500nm；圆孔的最小半径为4nm～30nm，最大半径为25nm～60nm，圆孔半径在X方向上由大变小，其变化的周期由第二过渡波导(5)的X方向整体长度决定；圆孔半径在Y方向上保持不变。
7.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述均匀亚波长波导(6)其整体在X方向的尺寸为2μm～100μm，在Y方向尺寸为0.2μm～1.2μm，在Z方向的尺寸为80nm～500nm。
8.根据权利要求7所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述均匀亚波长波导(6)圆孔半径保持不变，尺寸为25nm～60nm，且在X方向和Y方向上均按一定的周期分布，周期区间为60nm～500nm；周期个数与亚波长结构波导(6)由其在X、Y方向上的尺寸决定。
9.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第二绝缘材料层(7)在下层石墨烯(8)与亚波长结构以及下层石墨烯(8)与上层石墨烯(9)之间的部分在Z方向上的尺寸为1nm～200nm。
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