基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件

摘要

本发明公开了一种基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件，包括三个直波导和两个环形波导，相邻波导之间耦合形成四个耦合区，作为能量转移区；在部分环形波导的脊形硅层的脊形区域嵌入一层石墨烯层，在脊形区域的上下两侧分别设置一个与脊形硅层同弯曲方向的共面波导电极，用于模拟电信号的加载与调制，改变石墨烯层的费米能级，引起石墨烯层吸收系数的变化，对光信号进行吸收与调制；根据石墨烯波导调制长度，确定光信号的衰减程度，进而控制输出光能量，实现不同的逻辑功能。本发明具有光信号耦合调制一体化的功能，传输损耗低，响应速率快，驱动电压低，调制带宽宽，集成度高，且其制作工艺与COMS数字集成电路工艺兼容。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光逻辑门器件，具体涉及一种基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件。

背景技术

随着互联网的日益膨胀和信息技术的不断进步，对于信息处理速度的要求也在不断增长。尽管全光信息处理系统的运算速度要远远高于电子系统，但现阶段真正的全光网络尚无法实现，在现有基于电子技术的通信网中，网络节点要完成光－电－光的转换，光电转换效率就成为了高速网络的关键。在未来的光通信系统中，制作集成化、高速化、小型化的光调制器是必然的发展趋势。其中光调制是把电信号转换为光信号的过程，通过电光效应即把电压加载到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。

目前，由于基于量子阱斯塔克效应或体吸收效应的电吸收调制器其材料本身较弱的电光特性，使得这种基于硅基的调制器尺寸偏大。而其他基于锗或其他化合物半导体的调制器，则是难以与现有的CMOS工艺集成；而那些带有高效光学共振器的集成硅调制器，虽然其调制能力较强，但是由于其调制带宽过窄，并且需要极其精细的光路设计，以及极其严格的制作要求与有限的热稳定性，使其发展受到了许多限制。因此，找到一个能与现有CMOS工艺相兼容，同时拥有足够的调制速率与强度并且可以制成体积足够小调制器的材料，对未来光通信领域的进一步发展来说至关重要。

石墨烯，由于其独特的电子、光学、能带特性，从第一次被制造出来以后，便受到了各国研究人员的重视。人们对它的特性以及实际、理论上应用研究越来越多。近年来，许多基于石墨烯的电子、光学器件已经被提出和制造出来。由于其极其独特的光学特性，石墨烯在集成光学上的应用被认为是非常有潜力的应用方向之一。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件，具有光信号耦合调制一体化的功能，传输损耗低，响应速率快，驱动电压低，调制带宽宽，集成度高，且其制作工艺与COMS数字集成电路工艺兼容。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明采用了A/D模数转换的方式，将模拟电信号转换为数字光信号输出，并且在单一结构上可以实现两种逻辑门功能。

一种基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件，包括三个结构尺寸相同的直波导和两个结构尺寸相同的环形波导，将三个直波导分别称为第一直波导、第二直波导和第三直波导，将两个环形波导分别称为第一环形波导和第二环形波导，三个直波导等间距并排设置，第一环形波导置于第一直波导和第二直波导之间，第二环形波导置于第二直波导和第三直波导之间；五个波导整体呈中心对称结构，且五个波导均为单模脊形波导，单模脊形波导包括脊形硅层和二氧化硅底层。

第一直波导的下端作为单模光纤接口，第一直波导上部与第一环形波导左侧形成第一耦合区；第一环形波导右侧与第二直波导上部形成第二耦合区，第二直波导下部与第二环形波导左侧形成第三耦合区；第二环形波导右侧与第三直波导下部形成第四耦合区，第三直波导的上端作为逻辑输出端。

第一耦合区、第二耦合区、第三耦合区和第四耦合区的耦合间距相同。

对第一环形波导的上部中心区域，在脊形硅层的脊形区域嵌入一层石墨烯层，在该脊形区域的上下两侧分别设置一个与脊形硅层同弯曲方向的共面波导电极，形成第一吸收调制区；所述第一环形波导的上部中心区域为第一环形波导上第一耦合区和第二耦合区之间的上部区域。

对第二环形波导的下部中心区域，在脊形硅层的脊形区域嵌入一层石墨烯层，在该脊形区域的上下两侧分别设置一个与脊形硅层同弯曲方向的共面波导电极，形成第二吸收调制区；所述第二环形波导的下部中心区域为第二环形波导上第三耦合区和第四耦合区之间的下部区域。

第一吸收调制区(4-1)与第二吸收调制区(4-2)的结构尺寸相同。

在第一吸收调制区和第二吸收调制区中，通过两个共面波导电极进行模拟电信号的加载与调制，改变石墨烯层的费米能级，引起石墨烯层吸收系数的变化，对光信号进行吸收与调制；通过改变石墨烯层沿脊形硅层弯曲方向的长度，改变光信号的衰减程度。

同时根据石墨烯波导调制长度，确定最终光信号的衰减程度，进而控制输出光能量，实现不同的逻辑功能。

由于石墨烯的零带隙特性，光与石墨烯的相互作用强烈，与化合物半导体相比较，石墨烯有着更强烈的带间光学跃迁。而且石墨烯的光吸收是对波长无选择性的，其工作波长范围覆盖了所有的电讯通信带宽，包括中红外和远红外。此外，基于它零带隙等特性，让石墨烯还拥有着极高的载流子迁移率。极高的载流子迁移率使得石墨烯的费米能级可迅速的通过带填充效应调制，操作速率非常高，对驱动电压的反应灵敏。石墨烯可以同时满足高调制速率、宽带宽、小型化等条件，又能兼容CMOS数字集成电路工艺。

进一步的，通过不同的石墨烯波导调制长度，分别实现或非门及与非门这两种不同的逻辑功能：当满足单个吸收调制区即可将光信号的能量吸收掉时，该器件实现或非门的逻辑功能；当需要两个吸收调制区同时吸收调制才能使输出端无输出光时，该器件实现与非门的逻辑功能。

进一步的，在光信号到达耦合区的过程中，通过模拟扫描，得到环形波导半径和波导间距与耦合效率的关系曲线，在保证耦合效率最高的情况下，我们要尽量减小波导半径，有利于器件的集成，避免不必要的传输损耗。

有益效果：本发明提供的一种基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件，相对于现有技术具有以下优点：

1、采用环形波导的设计有效减小了器件长度，且采用SOI材料制作的单模脊形波导，最大限度地减小了传播损耗；2、基于石墨烯的调制器具有高调制速率、宽带宽、小型化等特点，又能兼容CMOS数字集成电路工艺。3、该器件同时完成高效耦合及高速调制，快速完成模拟电信号到数字光信号的转换，实现超快电光逻辑门操作；4、在单一结构的基础上，改变调制区间长度就可以实现两种不同的逻辑门功能，可以在高速通信网络中获得应用。

附图说明

图1为本发明基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件的整体结构示意图；

图2为本发明基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件的A-A截面图；

图3为本发明中第一吸收调制区所输入的模拟电信号；

图4为本发明中第二吸收调制区所输入的模拟电信号；

图5为本发明实现或非逻辑功能时所输出的数字光信号；

图6为本发明实现与非逻辑功能时所输出的数字光信号；

图中包括：1-1第一个直波导，1-2第二个直波导，1-3第三个直波导，2-1第一个环形波导，2-2第二个环形波导，3-1第一耦合区，3-2第二耦合区，3-3第三耦合区，3-4第四耦合区，4-1第一吸收调制区，4-2第二吸收调制区，5、共面波导电极，6、脊形硅层，7、二氧化硅底层，8、石墨烯层

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示为一种基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件，包括三个结构尺寸相同的直波导和两个结构尺寸相同的环形波导，将三个直波导分别称为第一直波导1-1、第二直波导1-2和第三直波导1-3，将两个环形波导分别称为第一环形波导2-1和第二环形波导2-2，三个直波导等间距并排设置，第一环形波导2-1置于第一直波导1-1和第二直波导1-2之间，第二环形波导2-2置于第二直波导1-2和第三直波导1-3之间；五个波导整体呈中心对称结构，且五个波导均为单模脊形波导，单模脊形波导包括脊形硅层6和二氧化硅底层7。

第一直波导1-1的下端作为单模光纤接口，第一直波导1-1上部与第一环形波导2-1左侧形成第一耦合区3-1；第一环形波导2-1右侧与第二直波导1-2上部形成第二耦合区3-2，第二直波导1-2下部与第二环形波导2-2左侧形成第三耦合区3-3；第二环形波导2-2右侧与第三直波导1-3下部形成第四耦合区3-4，第三直波导1-3的上端作为逻辑输出端。第一耦合区3-1、第二耦合区3-2、第三耦合区3-3和第四耦合区3-4的耦合间距相同。

对第一环形波导2-1的上部中心区域，在脊形硅层6的脊形区域嵌入一层石墨烯层8，在该脊形区域的上下两侧分别设置一个与脊形硅层6同弯曲方向的共面波导电极5，形成第一吸收调制区4-1；所述第一环形波导2-1的上部中心区域为第一环形波导2-1上第一耦合区3-1和第二耦合区3-2之间的上部区域。

对第二环形波导2-2的下部中心区域，在脊形硅层6的脊形区域嵌入一层石墨烯层8，在该脊形区域的上下两侧分别设置一个与脊形硅层6同弯曲方向的共面波导电极5，形成第二吸收调制区4-2；所述第二环形波导2-2的下部中心区域为第二环形波导2-2上第三耦合区3-3和第四耦合区3-4之间的下部区域。第一吸收调制区4-1与第二吸收调制区4-2的结构尺寸相同。

在第一吸收调制区4-1和第二吸收调制区4-2中，通过两个共面波导电极5进行模拟电信号的加载与调制，改变石墨烯层8的费米能级，引起石墨烯层8吸收系数的变化，对光信号进行吸收与调制；通过改变石墨烯层8沿脊形硅层6弯曲方向的长度，改变光信号的衰减程度。

同时根据石墨烯波导调制长度，确定最终光信号的衰减程度，进而控制输出光能量，实现不同的逻辑功能。

通过不同的石墨烯波导调制长度，分别实现或非门及与非门这两种不同的逻辑功能：

如图3、4、5所示，当满足单个吸收调制区4-1、4-2即可将光信号的能量吸收掉时，分别对两个吸收调制区4-1、4-2的共面波导电极5进行加电控制：只有在第一吸收调制区4-1和第二吸收调制区4-2全都处于低电平时，石墨烯费米能级没有发生变化，即吸收系数没有变化，对输入信号没有吸收，输入信号完整通过，逻辑输出端才会有输出；当第一、第二吸收调制区4-1、4-2中有任意一个处于高电平的时候，逻辑输出端都不会有输出。此时该器件实现或非门的逻辑功能。

如图3、4、6所示，当需要两个吸收调制区4-1、4-2同时吸收调制才能使输出端无输出光时，分别对两个吸收调制区4-1、4-2的共面波导电极5进行加电控制：只有在第一吸收调制区4-1和第二吸收调制区4-2全都处于高电平时，石墨烯费米能级发生改变，即其吸收系数改变，进输入信号有较强的吸收，而过大的吸收损耗，使得输入信号不能通过，逻辑输出端才不会有输出；当第一、第二吸收调制区4-1、4-2中有任意一个处于低电平的时候，逻辑输出端都会有输出。此时该器件实现与非门的逻辑功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。