CN103091870B - 一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在衬底上，包括：形成于衬底上的下反射镜；形成于下反射镜上的介质缓冲层；形成于介质缓冲层上的单层石墨烯薄膜；形成于单层石墨烯薄膜上的DBR结构的上反射镜；以及形成于单层石墨烯薄膜上且环绕于上反射镜周边的金属正电极。本发明提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，光垂直入射到器件，通过给器件施加栅偏压可以调制石墨烯中费米能级的高低，从而控制石墨烯对光的吸收与否，进而达到光调制的目的。本发明可以有很大的尺寸与光谱调制范围的设计自由度，功耗小，插入损耗低，对光信号无偏振态要求，且易于硅基集成。

Description

一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器

技术领域

本发明涉及石墨烯应用及光通信技术领域，具体涉及一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。

背景技术

光纤通信技术是现代通信的主要形式，有着高速、低损、宽频、可靠性高等特性。光调制器在光纤通信中对光信号的调制起着至关重要的作用，其作用是将比特信号加载到光波上，通过连续的开关作用产生受调制的光脉冲。光调制器是通过电压或电场的变化来调控输出光的吸收率、折射率、相位或振幅的器件，光调制器依据各种不同形式的电光、声光、磁光效应、量子阱Stark效应和载流子色散效应等，调控光发射机发出的光信号的振幅和状态，再进入光纤进行传播。按照调制机理光调制器可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和电吸收调制。

在未来的光通信中集成化、高速化、小型化的光调制器是必不可少的。目前，传统的硅基电吸收调制器由于较弱的电光特性及尺寸较大，锗与其他化合物半导体调制器难于硅基集成，导致传统的光调制器调制光谱范围通常比较窄。

石墨烯是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，由于其零带隙可以吸收很宽频率范围的光，加之其高迁移率等特性，在光调制器上可以充分发挥其优势。单层石墨厚度只有约0.335nm，对光的吸收有限，采用法布里-珀罗谐振腔结构可以增加石墨烯的光吸收效率，结合两者可以得到低插入损耗，高消光比的硅基集成调制器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服传统电光调制器体积大、调制带宽窄、插入损耗大等缺陷，本发明提供了一种石墨烯与谐振腔集成的增强型电吸收调制器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在衬底上，包括：形成于衬底1上的下反射镜2；形成于下反射镜2上的介质缓冲层3；形成于介质缓冲层3上的单层石墨烯薄膜4；形成于单层石墨烯薄膜4上的DBR结构的上反射镜6；以及形成于单层石墨烯薄膜4上且环绕于上反射镜6周边的金属正电极5。

上述方案中，所述下反射镜2和所述上反射镜6构成法布里-珀罗谐振腔，单层石墨烯薄膜4集成于该法布里-珀罗谐振腔内。所述下反射镜2在作为该法布里-珀罗谐振腔下反射镜的同时，也作为该电吸收调制器栅电极的负端；所述金属正电极5采用圆环形的Ti/Au电极，位于单层石墨烯薄膜4的上方，作为该电吸收调制器栅电极的正端。所述金属正电极5采用的材料为金属Pd、Pt、Ti、Cu或Al。

上述方案中，所述衬底1采用硅衬底或GaAs衬底，所述下反射镜2采用金属Ag，或者采用两种折射率不同的半导体材料。所述下反射镜2采用的两种折射率不同的半导体材料由Al_xGa_1-xAs材料体系交替生长构成。在所述下反射镜2采用金属Ag时，为了增加金属Ag与衬底1接触的牢固性，在金属Ag的下方还设有厚度为15nm的金属钛7作为粘附层；为了防止金属Ag的氧化，在金属Ag的上方还设有厚度为15nm的Si₃N₄层8。在下反射镜2采用Al_xGa_1-xAs材料体系作为下反射镜时，衬底1选择为GaAs衬底。

上述方案中，所述介质缓冲层3采用六方氮化硼(h-BN)、Al₂O₃或Ta₂O₃，所述介质缓冲层3以电场的方式调制单层石墨烯薄膜4中石墨烯对光的吸收，形成垂直入射的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。

上述方案中，所述上反射镜6采用交替生长的SiO₂和Si₃N₄薄膜，数量为7-10对，形成分布布拉格反射镜的绝缘介质DBR结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，相比于传统铌酸锂材料的光调制器，可以达到更小的尺寸，由于石墨烯从可见光到红外光的宽谱光吸收，可以使该调制器的光谱设计自由度大大提高；相比于波导结构等调制器，该垂直入射调制器大大减小了插入损耗，且器件制作工艺易于硅基集成。

2、本发明提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，拥有很大的尺寸设计范围以及很宽频段的光谱设计范围，相比于波导耦合等结构的调制器，拥有更低插入损耗。

3、本发明提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，光垂直入射到器件，通过给器件施加栅偏压可以调制石墨烯中费米能级的高低，从而控制石墨烯对光的吸收与否，进而达到光调制的目的。本发明可以有很大的尺寸与光谱调制范围的设计自由度，功耗小，插入损耗低，对光信号无偏振态要求，且易于硅基集成。

附图说明

图1是依照本发明实施例的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的外延片结构；

图2是依照本发明实施例的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的三维结构示意图；

图3是依照本发明实施例的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的剖面示意图；

图4是依照本发明实施例的制备谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的方法流程图。

图3中附图标记：1为硅衬底，2为下反射镜，3为介质缓冲层，4为单层石墨烯薄膜，5为金属正电极，6为上反射镜，7为金属银下方的Ti粘附层，8为金属银上方的Si₃N₄层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。示意图所述结构只是为了使本方案更加清晰给出的一种示例，本发明所涉及器件并不局限于下图所示结构，在图中，为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，作为示意图不应该被认为严格反应了几何尺寸以及各层之间的比例关系。

如图1、2和3所示，本发明提供的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器制作在衬底上，该电吸收调制器包括：形成于衬底1上的下反射镜2；形成于下反射镜2上的介质缓冲层3；形成于介质缓冲层3上的单层石墨烯薄膜4；形成于单层石墨烯薄膜4上的DBR结构的上反射镜6；以及形成于单层石墨烯薄膜4上且环绕于上反射镜6周边的金属正电极5。

其中，下反射镜2和上反射镜6构成法布里-珀罗谐振腔，单层石墨烯薄膜4集成于该法布里-珀罗谐振腔内。下反射镜2在作为该法布里-珀罗谐振腔下反射镜的同时，也作为该电吸收调制器栅电极的负端；金属正电极5采用圆环形的Ti/Au电极，位于单层石墨烯薄膜4的上方，作为该电吸收调制器栅电极的正端。

衬底1可以采用硅衬底或GaAs衬底，下反射镜2可以采用金属Ag，也可以由两种折射率不同的半导体材料，如Al_xGa_1-xAs材料体系交替生长构成。在下反射镜2采用金属Ag时，为了增加金属Ag与衬底1接触的牢固性，在金属Ag的下方还设有厚度为15nm的金属钛7作为粘附层；为了防止金属Ag的氧化，在金属Ag的上方还设有厚度为15nm的Si₃N₄层8。在下反射镜2采用Al_xGa_1-xAs材料体系作为下反射镜时，衬底1选择为GaAs衬底。Al_xGa_1-xAs材料体系所满足的条件为：所选择材料的禁带宽度要足够宽，满足Eg_min＝1.24/λ，使得所选材料对目标波长的光不吸收。图2中的金属Ag在作为下反射镜的同时，也作为器件栅电极的负极。

介质缓冲层3可以采用六方氮化硼(h-BN)、Al₂O₃或Ta₂O₃，介质缓冲层3以电场的方式调制单层石墨烯薄膜4中石墨烯对光的吸收，形成垂直入射的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。金属正电极5采用的材料不是限制性的，例如，其可以为常规的Pd、Pt、Ti、Cu或者Al等金属。上反射镜6采用交替生长的SiO₂和Si₃N₄薄膜，数量为7-10对，形成分布布拉格反射镜的绝缘介质DBR结构。SiO₂和Si₃N₄交替生长组成的分布布拉格反射镜构成谐振腔的上反射镜，对于每层SiO₂和Si₃N₄的厚度，满足布拉格光栅的中心波长为目标波长，法布里-珀罗谐振腔的腔长与目标波长也满足布拉格反射条件。图1给出的结构示例为1300nm波长的结构设计，SiO₂和Si₃N₄的厚度分别为223nm和174nm。

基于上述图1至图3所示的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，图4示出了依照本发明实施例的制备谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的方法流程图，该方法具体包括以下步骤：

首先，选择衬底并进行清洗；在本实施例中，选择半绝缘或者掺杂的硅衬底作为衬底。

然后，图2和4所示，采用电子束蒸发或者热蒸发的方法在硅衬底上淀积厚度为100nm的金属Ag作为谐振腔的下反射镜2。金属Ag的下方还设有厚度为15nm的金属钛7作为粘附层以增加金属Ag与硅衬底1接触的牢固性，金属Ag的上方还设有厚度为15nm的Si₃N₄层8，用来防止金属Ag的氧化。

接着采用CVD方法在下反射镜2上淀积厚度为190nm的六方氮化硼(h-BN)作为介质缓冲层3，并将机械剥离或者CVD生长的单层石墨烯薄膜4转移到外延片上，在介质缓冲层3上形成单层石墨烯薄膜4。集成于谐振腔内的单层石墨烯薄膜4可以采用微机械剥离、CVD生长等常规生长方法制备所得。

在单层石墨烯薄膜4上采用分子束外延方法交替生长SiO₂和Si₃N₄薄膜，数量为7-10对，形成分布布拉格反射镜的绝缘介质DBR结构，作为谐振腔的上反射镜6。

SiO₂和Si₃N₄交替生长组成的分布布拉格反射镜构成谐振腔的上反射镜，对于每层SiO₂和Si₃N₄的厚度，满足布拉格光栅的中心波长为目标波长，法布里-珀罗谐振腔的腔长与目标波长也满足布拉格反射条件。图1给出的结构示例为1300nm波长的结构设计，SiO₂和Si₃N₄的厚度分别为223nm和174nm。至此，外延片生长完成。

光刻并利用HF或者BOE腐蚀出上DBR的圆形台面(也可以用RIE干法刻蚀，刻蚀氧化硅氮化硅的方法为非限制性的)，形成谐振腔的上反射镜区域，在谐振腔的正下方为石墨烯有源区，有源区外露出的石墨烯作为与正向电极接触的部分，光刻并刻蚀掉多余部分石墨烯与h-BN和金属层使器件隔离，如图3所示，最后光刻并蒸发金属正电极5，金属剥离完成器件制备。电极的正极与石墨烯接触，采用圆环形电极结构(不局限于圆环形，只要电极形状和上反射镜台面形状匹配均可)，环形电极所对应有源区以外的石墨烯采用氧等离子体刻蚀的办法移除以减小器件寄生电容。金属正电极5的具体材料不是限制性的，例如，其可以为常规的Pd、Pt、Ti、Cu或者Al等金属。电极的制作方法也不是限制性的，可以采用热蒸发或者电子束蒸发等常规方法。

在所述正负电极之间加上栅电压信号，通过栅电压的调控，石墨烯中费米能级的位置发生变化，从而对入射光吸收或者不吸收，进而实现通过外加电信号对入射光进行调制的目的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在硅衬底上，其特征在于，包括：

形成于硅衬底(1)上的下反射镜(2)；

形成于下反射镜(2)上的六方氮化硼介质缓冲层(3)；

形成于六方氮化硼介质缓冲层(3)上的单层石墨烯薄膜(4)；

形成于单层石墨烯薄膜(4)上的DBR结构的上反射镜(6)；以及

形成于单层石墨烯薄膜(4)上且环绕于上反射镜(6)周边的金属正电极(5)。

2.根据权利要求1所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述下反射镜(2)和所述上反射镜(6)构成法布里-珀罗谐振腔，单层石墨烯薄膜(4)集成于该法布里-珀罗谐振腔内。

3.根据权利要求2所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述下反射镜(2)在作为该法布里-珀罗谐振腔下反射镜的同时，也作为该电吸收调制器栅电极的负端；所述金属正电极(5)采用圆环形的Ti/Au电极，位于单层石墨烯薄膜(4)的上方，作为该电吸收调制器栅电极的正端。

4.根据权利要求3所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述金属正电极(5)采用的材料为金属Pd、Pt、Ti、Cu或Al。

5.根据权利要求1所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述下反射镜(2)采用金属Ag，或者采用两种折射率不同的半导体材料。

6.根据权利要求5所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述下反射镜(2)采用的两种折射率不同的半导体材料由Al_xGa_1-xAs材料体系交替生长构成。

7.根据权利要求5所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，在所述下反射镜(2)采用金属Ag时，为了增加金属Ag与衬底(1)接触的牢固性，在金属Ag的下方还设有厚度为15nm的金属钛(7)作为粘附层；为了防止金属Ag的氧化，在金属Ag的上方还设有厚度为15nm的Si₃N₄层(8)。

8.根据权利要求5所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，在下反射镜(2)采用Al_xGa_1-xAs材料体系作为下反射镜时，衬底(1)选择为GaAs衬底。

9.根据权利要求1所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述介质缓冲层(3)以电场的方式调制单层石墨烯薄膜(4)中石墨烯对光的吸收，形成垂直入射的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。

10.根据权利要求1所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述上反射镜(6)采用交替生长的SiO₂和Si₃N₄薄膜，数量为7-10对，形成分布布拉格反射镜的绝缘介质DBR结构。