一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构

摘要

本发明公开了一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构，包括光波导基底层，光波导基底层的上方设置有梯形结构的光波导层，光波导层的上表面和两侧面覆盖有外光波导层，外光波导层和光波导层之间设置有全部或部分重叠的第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间设置有隔离介质层，所述第一石墨烯层连接有第一电极，所述第二弧形石墨烯层连接有第二电极。本发明可以同时对TE和TM模的光吸收系数进行一致的动态调谐，从而实现对光波的偏振不敏感调制，有效地解决了目前石墨烯光调制器对入射光波的偏振方向敏感的技术难题,制备工艺方面更容易实现，易于集成，并具有调制速率高、功耗低的优点。

说明书

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新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构。

背景技术

光调制器是将电信号转变为光信号送入光纤进行传输的模块，是光纤通信系统中的关键器件之一。在短脉冲的产生、信号的解复用、数据编码、光互联、波长交换、光分插复用等领域有着广泛的应用，是未来高速光通信系统的核心器件之一，有着极为广阔的应用空间。

石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，有着独特、优异的光电子学特性，被认为在未来是传统的半导体材料的理想代替者。石墨烯在室温下具有20,000cm2/Vs的载流子迁移率，大约是硅材料的载流子迁移率100倍以上，意味着基于石墨烯的电子器件可以在超高速率下工作。石墨烯在外加电压下，光导率也会随之发生变化，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有的零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用。另外，在工艺方面，石墨烯与传统的CMOS工艺兼容，易于集成，正是因为石墨烯具有这些优异的特性，所以石墨烯材料被认为在光电子器件方面有着潜在的重要应用。

目前基于石墨烯材料的光学调制器已经得到广泛的研究，大多都是基于传统的SOI光波导结构，在波导的表面铺设石墨烯层，将偏置电压作用于石墨烯薄片上，以改变石墨烯材料本身的费米能级来改变光波导对入射光的折射率或吸收率，从而达到对入射光的相位或振幅的调制（见文献MingLiu,XiaoboYin,Ulin-Avila,etal.Agraphene-basedbroadbandopticalmodulator.Nature,2011,Vol474,p64-67和文献GosciniakJacek,TanDawnTH.Theoreticalinvestigationofgraphene-basedphotonicmodulators.ScientificReports,2013,Vol3）。但目前基于石墨烯材料的电光调制器都存在一个共同的缺陷，都是偏振相关的，即对入射光的偏振方向敏感，只能对特定偏振方向的光波产生有效的调制，而对其他偏振方向的光波调制效果不明显，这限制了这种光调制器的使用范围。

基于石墨烯的偏振不敏感电光调制器也已得到报道，例如申请号为201410370459.0的发明专利公开了一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器：基板，石墨烯水平嵌入的第一石墨烯脊形波导，石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波导，第一石墨烯脊形波导和第二石墨烯脊形波导均位于基板上，第一石墨烯脊形波导中嵌入的石墨烯层与第二石墨烯脊形波导中嵌入的石墨烯层相互垂直。

正如上面所述的结构，一段光波导中同时包含有一段水平嵌入的石墨烯层和一段垂直嵌入的石墨烯，对工艺要求较高，较难实现。

又如申请号为201510469011.9的发明专利公开了一种基于弧形石墨烯的偏振不敏感光调制器，包括光波导基底层，光波导基底层的上方设置有电介质层，电介质层的上方设置有D形波导层，D形波导层的外围包覆有第二弧形石墨烯层，第二弧形石墨烯层的外围包覆有第一弧形石墨烯层，第一弧形石墨烯层的外围包覆有矩形波导层，矩形波导层与第一弧形石墨烯层之间、第一弧形石墨烯层与第二弧形石墨烯层之间以及第二弧形石墨烯层与D形波导层之间均设置有隔离介质层；第一弧形石墨烯层从D形波导的一侧延伸出来并连接有第一电极，第二弧形石墨烯层从D形波导层的另一侧延伸出来并连接有第二电极。

正如上面所述的基于D形波导结构，为实现良好的偏振无关调制效果，在实现D形波导的制备工艺方面存在较大的难度。

正如上述现有的基于石墨烯电光调制器中存在的问题，都是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构，解决了以往石墨烯光调制器制备工艺较难实现和对入射光波的偏振方向敏感的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构，包括光波导基底层，光波导基底层的上方设置有梯形结构的光波导层，光波导层的上表面和两侧面覆盖有外光波导层，外光波导层和光波导层之间设置有全部或部分重叠的第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间设置有隔离介质层，所述第一石墨烯层从光波导层两侧面的一侧延伸出来并连接有第一电极，所述第二弧形石墨烯层从光波导层的另一侧延伸出来并连接有第二电极。

作为本发明的第一个优化方案，所述光波导层的两侧面均是有一定倾斜角度的倾斜面。

作为本发明的第二个优化方案，所述外光波导层的横截面为矩形、半圆或半椭圆形。

作为本发明的第三个优化方案，所述隔离介质层的厚度为5nm—100nm。

作为本发明的第四个优化方案，所述外光波导层和光波导层材质相同，该材质为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体中的任意一种。

作为本发明的第五个优化方案，所述隔离介质层由绝缘材料制成，该绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

作为本发明的第六个优化方案，所述第一电极和第二电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的任意一种或任意两种以上的合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设置梯形结构的光波导来引入具有倾斜放置的石墨烯层，施加偏置电压，可以同时对TE和TM模的光吸收系数进行一致的动态调谐，从而实现对光波的偏振不敏感调制，有效地解决了目前石墨烯光调制器对入射光波的偏振方向敏感的技术难题。

2、本发明梯形结构的光波导相对于D形波导结构，在制备工艺方面更容易实现。

3、本发明的电光调制器制备工艺上可与传统的SOI、CMOS工艺相兼容，易于集成，并具有调制速率高、功耗低的优点。

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是本发明实施例外光波导层为矩形时调制器光波导的横截面示意图；

图2是本发明实施例外光波导层为半椭圆形时调制器光波导的横截面示意图；

图3是本发明实施例外光波导层为矩形时调制器光波导TE、TM模吸收系数随石墨烯化学势能变化的示意图；

图4是本发明实施例外光波导层为半椭圆形时调制器光波导TE、TM模吸收系数随石墨烯化学势能变化的示意图；

图5是本发明实施例外光波导层为矩形时调制器光波导TE、TM模在开“ON”和关“OFF”状态时归一化的输出光功率随着传播距离的衰减图；

图6是本发明实施例外光波导层为半椭圆形时调制器光波导TE、TM模在开“ON”和关“OFF”状态时归一化的输出光功率随着传播距离的衰减图；

图中的标号分别表示为：1-光波导基底层；2-光波导层；3-外光波导层；4-第一石墨烯层；5-第二石墨烯层；6-隔离介质层；7-第一电极；8-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，一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构，包括光波导基底层1，光波导基底层1的上方设置有梯形结构的光波导层2，光波导层2的上表面和两侧面覆盖有外光波导层3，外光波导层3和光波导层2之间设置有全部或部分重叠的第一石墨烯层4和第二石墨烯层5，第一石墨烯层4和第二石墨烯层5之间设置有隔离介质层6，所述第一石墨烯层4从光波导层2两侧面的一侧延伸出来并连接有第一电极7，所述第二弧形石墨烯层5从光波导层2的另一侧延伸出来并连接有第二电极8。

所述光波导层2的两侧面均是有一定倾斜角度的倾斜面。

所述外光波导层3的横截面为矩形、半圆或半椭圆形。

所述隔离介质层6的厚度为5nm—100nm。

所述外光波导层3和光波导层2材质相同，该材质为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体中的任意一种。

所述隔离介质层6由绝缘材料制成，该绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

述第一电极7和第二电极8的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的任意一种或任意两种以上的合金。

本发明的光调制器工作原理为：光调制器工作时，偏置电压通过电极加在第一石墨烯层4和第二石墨烯层5上，通过改变偏置电压，动态的调谐第一石墨烯层4和第二石墨烯层5的介电常数，从而影响光波导中有效折射率的实部和虚部的变化，有效折射率的实部对应光相位的改变，有效折射率的虚部对应光的吸收。由于石墨烯材料是二维材料，只与其表面相切的光信号产生强烈的相互作用，本发明通过设置梯形结构的光波导层2来引入倾斜放置的第一石墨烯层4和第二石墨烯层5，设计合适的倾斜角度，可以同时对不同偏振方向的TE和TM模光吸收系数进行一致的动态调谐，从而实现对光波的偏振不敏感调制。当偏置电压在某一特定值时，TE和TM模的光损耗都非常小，光信号可以通过，当偏置电压改变到另一个特定值时，TE和TM模的光损耗变得较大，其光损耗值几乎达到一致，因此TE和TM模光同时被吸收掉，光信号无法通过，从而可以调谐偏置电压点，实现对光信号的偏振无关调制，又由于石墨烯有着超高速的载流子迁移率，因而其可以实现高速率的光波调制。

下面，结合具体的实验数据对本发明作进一步说明：

如图1-图6所示，采用波长为1.55μm的光波，光波导层2和外光波导层3的材料为Si材料，光折射率为3.47；光波导基底层1为SiO2(光折射率为1.444)；隔离介质层6采用10nm厚的六方氮化硼hBN材料(光折射率为1.98)将第一石墨烯层4与第二石墨烯层5隔开；光波导层2和外光波导层3的长度为50μm；第一电极7和第二电极8采用钯金属，并在钯金属上镀一层金。

图1是本发明实施例外光波导层为矩形时调制器光波导的横截面示意图；光波导层2的下底宽度是0.5μm，两侧面的倾斜度为50°，倾斜面宽度为0.35μm；矩形外光波导层3的高度为0.39μm，宽度为0.5μm。

图2是本发明实施例外光波导层为半椭圆形时调制器光波导的横截面示意图；光波导层2的下底宽度是0.5μm，两侧面的倾斜度为50°，倾斜面宽度为0.35μm；半椭圆形外光波导层3的高度为0.39μm。

图3是本发明实施例外光波导层为矩形时调制器光波导TE、TM模吸收系数随石墨烯化学势能变化的示意图；图4是本发明实施例外光波导层为半椭圆形时调制器光波导TE、TM模吸收系数随石墨烯化学势能变化的示意图。从图中，明显可见，波导中TE模和TM模有效折射率的虚部随着石墨烯化学势能的改变几乎有着一致的变化，TE、TM模同时在石墨烯化学势能为μ=0.51eV时达到峰值，此时光波导对光有着强烈的吸收效果，光信号无法通过，可以作为调制器的“OFF”状态；在μ被外加偏置电压作用变为0.7eV时，波导中TE模和TM模有效折射率的虚部值非常小，在10-4量级，此时光波导对光的吸收非常弱，光信号可以通过，可以作为“ON”状态。

图5是本发明实施例外光波导层为矩形时调制器光波导TE、TM模在开“ON”和关“OFF”状态时归一化的输出光功率随着传播距离的衰减图；图6是本发明实施例外光波导层为半椭圆形时调制器光波导TE、TM模在开“ON”和关“OFF”状态时归一化的输出光功率随着传播距离的衰减图。从图中明显可见，无论在“ON”或“OFF”状态，TE、TM模随着外加偏置电压的变化都有着一致的改变，即实现了偏振无关的调制。计算结果表明，此结构光调制器3dB的调制带宽为105GHz，其功耗在23.6fJ/bit量级。

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。