CN102662254B - 基于石墨烯电吸收特性的微环光开关 - Google Patents
基于石墨烯电吸收特性的微环光开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关。包括在同一水平面上的光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层；两条耦合波导放置在光微环的两侧，石墨烯电容结构层覆盖在光微环上；两条耦合波导中的一条耦合波导的一端为输入端，另一端为直接输出端，另一条耦合波导中与输入端对应的一端为下载端，输入端与输入波导相连接，直接输出端和下载端分别与两条输出波导相连接。本发明改变外加电压以改变光微环的谐振状态，使得光信号在两个输出端口之间切换，实现光微环开关的功能。这种光微环开关所需要施加的电压低，响应速度极快，仅在基本光微环结构上添加了石墨烯和绝缘物质，完全兼容现有CMOS工艺，具有大规模生产的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种微环光开关，特别涉及一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关。
背景技术
光开关作为信道切换装置，在下一代光通信网络中扮演重要的作用。人们利用各种不同的结构，已经成功研制了多种光开关。光开关的实现原理非常多，对于应用于宽带光空分交换功能的光开关，通过利用材料的折射率变化，采用Y分支器结构、Mach-Zehder结构或是定向耦合器结构来实现；近年来，随着硅基光子技术的发展，微环结构广泛应用，通过利用谐振波长的移动实现波长选择型光空分开关功能。但是随着信息数据量爆炸式的与日俱增，传统的光学开关切换速度已经渐渐无法满足人们的信息交换需求，人们迫切需要利用新材料、新技术制造具有更快的信道切换速度的光开关。同时，传统的光学非自持式开关在切换信道时需要消耗不少的能量，这一缺陷在国家节能减排的战略目标下也亟待弥补。
近年来，石墨烯这种具有良好电学、光学特性的材料得到业界越来越多的的关注，人们纷纷尝试将其应用到光学元器件的制作上来。对于形成电容结构的石墨烯材料，在不同的外加电压下会具有不同的载流子浓度，这样的结构对于在硅波导当中传输的光信号有不同的吸收效率。对于这种吸收效应应用于光开关设计，无法采用传统折射率变化的光学结构获得光空分交换功能。利用石墨烯本身具有极高电子迁移率这一特性，能够制造出速度极快、功耗较低的新型微环光开关，在下一代大容量光通信系统中具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，可以实现超高信道切换速度和低开关电压。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
包括光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层；两条耦合波导放置在光微环的两侧，石墨烯电容结构层覆盖在光微环上，光微环、两条耦合波导、石墨烯电容结构层均在同一水平面上；两条耦合波导中的任意一条耦合波导的一端为输入端，另一端为直接输出端，另一条耦合波导与输入端对应的一端为下载端，输入端与输入波导相连接，直接输出端和下载端分别与各自输出波导相连接。
所述的石墨烯电容结构层包括第一层石墨烯、绝缘物质和第二层石墨烯；在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处，第一层石墨烯覆盖在光微环上，绝缘物质覆盖在第一层石墨烯上，第二层石墨烯覆盖在绝缘物质上，第一层石墨烯和第二层石墨烯延伸端分别与电极的两极相连。
所述的石墨烯电容结构层包括第一层石墨烯、绝缘物质和透明电极；在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处，第一层石墨烯覆盖在光微环上，绝缘物质覆盖在第一层石墨烯上，透明电极覆盖在绝缘物质上，第一层石墨烯延伸端和透明电极分别与电极的两极相连。
所述的光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层均放置在掺杂硅衬底上，石墨烯电容结构层包括绝缘物质和第一层石墨烯；在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处，绝缘物质覆盖在光微环上，第一层石墨烯覆盖在绝缘物质上，第一层石墨烯延伸端和掺杂硅衬底分别与电极的两极相连。
所述的光微环为任意闭环形状。
所述的石墨烯电容结构层覆盖在整体或者局部的光微环上。
本发明具有的有益的效果是：
本发明提出利用微环在不同损耗特性下的谐振与失振状态来实现光空分开关功能。不加驱动电压时，石墨烯会对光子产生十分明显的吸收效果，微环因此无法对光信号产生谐振，进入失振状态，光信号将从直接输出端进入其中一个输出波导；适当增加驱动电压，当石墨烯对光子的吸收不明显时，硅基微环处于谐振状，能与耦合波导发生良好的耦合，光信号经过微环从下载端进入另一个输出波导。依据这种原理，就可以通过改变外加电压来改变光信号的输出方向，实现光开关的效果。利用石墨烯所具有的高电子迁移率特性，可以实现THz级别的光信道切换速度，远超于当前GHz级别的普通电光、热光开关，非常适合应用于下一代大容量光通信网络；石墨烯大的吸收系数变化，可以实现低开关电压；采用最基本的硅基微环结构，可以用平面集成光波导工艺制作，具有良好的CMOS工艺兼容性，具有大规模生产的潜力。并且其所需施加的工作电压很低，节能环保。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层均放置在掺杂硅衬底上的结构图。
图3是本发明在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处的第一种截面示意图。
图4是本发明在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处的第二种截面示意图。
图5是本发明在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处的第三种截面示意图。
图中：1、光微环，2、输入端，3、直接输出端，4、下载端，5、石墨烯电容结构层，6、掺杂硅衬底，7、第一层石墨烯，8、绝缘物质，9、第二层石墨烯，10、透明电极。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括光微环1、两条耦合波导和石墨烯电容结构层5；两条耦合波导放置在光微环1的两侧，石墨烯电容结构层5覆盖在光微环1上，光微环1、两条耦合波导、石墨烯电容结构层5均在同一水平面上；两条耦合波导中的任意一条耦合波导的一端为输入端2，另一端为直接输出端3，另一条耦合波导与输入端2对应的一端为下载端4，输入端2与输入波导相连接，直接输出端3和下载端4分别与各自输出波导相连接。
如图3所示，所述的光微环1、两条耦合波导和石墨烯电容结构层5均放置在衬底上，石墨烯电容结构层5包括第一层石墨烯7、绝缘物质8和第二层石墨烯9；在石墨烯电容结构层5与光微环1的覆盖交界处，第一层石墨烯7覆盖在光微环1上，绝缘物质8覆盖在第一层石墨烯7上，第二层石墨烯9覆盖在绝缘物质8上，第一层石墨烯7和第二层石墨烯9延伸端分别与电极的两极相连。
如图4所示，所述的光微环1、两条耦合波导和石墨烯电容结构层5均放置在衬底上，石墨烯电容结构层5包括第一层石墨烯7、绝缘物质8和透明电极10；在石墨烯电容结构层5与光微环1的覆盖交界处，第一层石墨烯7覆盖在光微环1上，绝缘物质8覆盖在第一层石墨烯7上，透明电极10覆盖在光微环1上面的绝缘物质8上，第一层石墨烯7延伸端和透明电极10分别与电极的两极相连。
如图2和图5所示，所述的光微环1、两条耦合波导和石墨烯电容结构层5均放置在掺杂硅衬底6上，石墨烯电容结构层5包括绝缘物质8和第一层石墨烯7；在石墨烯电容结构层5与光微环1的覆盖交界处，绝缘物质8覆盖在光微环1上，第一层石墨烯7覆盖在绝缘物质8上，第一层石墨烯7延伸端和掺杂硅衬底6分别与电极的两极相连。
所述的光微环1为任意闭环形状。
所述的石墨烯电容结构层5覆盖在整体或者局部的光微环1上。
所述的两条耦合波导之间不相互垂直，首先需要确定其中一条耦合波导的一端为输入端，另一端为直接输出端。若两条耦合波导平行时，另一条耦合波导与输入端在光微环同一侧的一端为下载端；若两条耦合波导相交，并相交于靠近输入端的一侧，那么另一条耦合波导中更靠近输入端的一端为下载端；若两条耦合波导相交，并相交于远离输入端的一侧，那么另一条耦合波导中更远离输入端的一端为下载端。
所述的衬底的材料能采用二氧化硅或氮化硅。
本发明可以通过但不限于以下方式实施：
实施例1：
硅基波导的制作：采用顶层硅厚为220 nm、氧化硅埋层1μm的绝缘层上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出宽400 nm、深220 nm的硅条波导，获得由半径10μm的光微环1和两条耦合波导构成的基本光路结构，波导与光微环1间的耦合间隙为200 nm。其中两条耦合波导应尽量保证互相平行。去除掩膜，并进行表面清洗。
第一层石墨烯7的转移：采用机械转移方法，将第一层石墨烯7转移至所制作光微环1的SOI晶圆上表面。采用光刻、干法刻蚀，对所转移的第一层石墨烯7层进行制作，仅保留光微环1结构的上表面的局部及相关电极引线位置。
介质层的制作：采用原子层沉积(ALD)技术，制作一层10nm的绝缘物质8（例如三氧化二铝）。
第二层石墨烯9的转移：采用机械转移方法，将第二层石墨烯9转移至制作有绝缘物质8（例如三氧化二铝）的光微环1的SOI晶圆上表面。采用光刻、干法刻蚀，对所转移的第二层石墨烯9进行制作，仅保留光微环1结构的上表面的局部及相关电极引线位置。
上保护层以及电极的制作：采用化学汽相沉积技术，制作一层5000 nm的二氧化硅。采用光刻、干法刻蚀，制作出电极通孔，将第一层石墨烯7和第二层石墨烯9的电极引线部分曝露。采用溅射技术，沉积1000 nm的金金属层。采用光刻、干法刻蚀，制作出金电极。
由此，完成光开关芯片制作。所制作的光开关速度可以达到1THz，开关电压1V。
实施例2：
硅基波导的制作：采用顶层硅厚为220 nm、氧化硅埋层1μm的绝缘层上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出宽450 nm、深180 nm的硅条波导，获得由半径5μm的光微环1和两条耦合波导构成的基本光路结构，波导与光微环1间的耦合间隙为180 nm。其中两条耦合波导应尽量保证互相平行。去除掩膜，并进行表面清洗。
介质层的制作：采用原子层沉积(ALD)技术，制作一层10nm的绝缘物质8（例如三氧化二铝）。
第一层石墨烯7的转移：采用机械转移方法，将第一层石墨烯7转移至所制作光微环1的SOI晶圆上表面。采用光刻、干法刻蚀，对所转移的第一层石墨烯7进行制作，仅保留光微环1结构的上表面的局部及相关电极引线位置。
透明电极10的制作：采用电子束薄膜生长技术，制作出铟锡氧化物透明电极10。采用光刻、干法刻蚀，对所制作的铟锡氧化物透明电极10进行制作，仅保留光微环1结构的上表面的局部及相关电极引线位置。
上保护层以及电极的制作：采用化学汽相沉积技术，制作一层5000 nm的二氧化硅。采用光刻、干法刻蚀，制作出电极通孔，将第一层石墨烯7和铟锡氧化物透明电极10的电极引线部分曝露。采用溅射技术，沉积1000 nm的铝金属层。采用光刻、干法刻蚀，制作出铝电极。
由此，完成光开关芯片制作。所制作的光开关速度可以达到100GHz，开关电压1V。
实施例3：
硅基波导的制作：采用顶层硅厚为340 nm、氧化硅埋层1μm的绝缘层上硅(SOI)材料，利用标准CMOS工艺，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出宽300 nm、深220 nm的硅脊波导，获得由半径10μm的光微环1和两条耦合波导构成的基本光路结构，波导与光微环1间的耦合间隙为150 nm。其中两条耦合波导应尽量保证互相平行。去除掩膜，并进行表面清洗。
介质层的制作：采用原子层沉积(ALD)技术，制作一层10nm的绝缘物质8（例如三氧化二铝）。
第一层石墨烯7的转移：采用机械转移方法，将第一层石墨烯7转移至制作有绝缘物质8（例如三氧化二铝）的光微环1的 SOI晶圆上表面。采用光刻、干法刻蚀，对所转移的第一层石墨烯7进行制作，仅保留光微环1结构的上表面的局部及相关电极引线位置。
上保护层以及电极的制作：采用化学汽相沉积技术，制作一层5000 nm的氮化硅。采用光刻、干法刻蚀，制作出电极通孔，将SOI顶层硅和第一层石墨烯7的电极引线部分曝露。采用电子束蒸发技术，沉积1500 nm的铝金属层。采用光刻、干法刻蚀，制作出铝电极。
由此，完成光开关芯片制作。所制作的光开关速度可以达到200GHz，开关电压1V。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，其特征在于：包括光微环(1)、两条耦合波导和石墨烯电容结构层(5)；两条耦合波导放置在光微环(1)的两侧，石墨烯电容结构层(5)覆盖在光微环(1)上，光微环(1)、两条耦合波导、石墨烯电容结构层(5)均在同一水平面上；两条耦合波导中的任意一条耦合波导的一端为输入端(2)，另一端为直接输出端(3)，另一条耦合波导与输入端(2)对应的一端为下载端(4)，输入端(2)与输入波导相连接，直接输出端(3)和下载端(4)分别与各自输出波导相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，其特征在于：所述的石墨烯电容结构层(5)包括第一层石墨烯(7)、绝缘物质(8)和第二层石墨烯(9)；在石墨烯电容结构层(5)与光微环(1)的覆盖交界处，第一层石墨烯(7)覆盖在光微环(1)上，绝缘物质(8)覆盖在第一层石墨烯(7)上，第二层石墨烯(9)覆盖在绝缘物质(8)上，第一层石墨烯(7)和第二层石墨烯(9)延伸端分别与电极的两极相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，其特征在于：所述的石墨烯电容结构层(5)包括第一层石墨烯(7)、绝缘物质(8)和透明电极(10)；在石墨烯电容结构层(5)与光微环(1)的覆盖交界处，第一层石墨烯(7)覆盖在光微环(1)上，绝缘物质(8)覆盖在第一层石墨烯(7)上，透明电极(10)覆盖在绝缘物质(8)上，第一层石墨烯(7)延伸端和透明电极(10)分别与电极的两极相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，其特征在于：所述的光微环(1)、两条耦合波导和石墨烯电容结构层(5)均放置在掺杂硅衬底(6)上，石墨烯电容结构层(5)包括绝缘物质(8)和第一层石墨烯(7)；在石墨烯电容结构层(5)与光微环(1)的覆盖交界处，绝缘物质(8)覆盖在光微环(1)上，第一层石墨烯(7)覆盖在绝缘物质(8)上，第一层石墨烯(7)延伸端和掺杂硅衬底(6)分别与电极的两极相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，其特征在于：所述的光微环(1)为任意闭环形状。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，其特征在于：所述的石墨烯电容结构层(5)覆盖在整体或者局部的光微环(1)上。
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