CN103869504A - 基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法 - Google Patents

基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法。首先进行光波导微环谐振腔的仿真与设计，选出Q值较高的设计并进行工艺流片，然后取已有的SOI片进行光波导微环谐振腔的工艺制备，接着在制备好的光波导微环谐振腔上生长两层石墨烯和一层Al2O3-，最后引两个对称分布的电极即可。本发明方法能提供很强的石墨烯与光的相互作用，提供高强度的光电转换；由于石墨烯对光的吸收与光的波长无关，所以可以进行宽频操控；同时石墨烯在室温下的载流子迁移率极高，通过施加外电场可以使调制时间降至皮秒级别，再加上它能与CMOS工艺相兼容，这对以后集成光学芯片的微型化、高速化以及低功耗具有重大意义。

Description

基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，具体是一种基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法。
背景技术
调制器是光通信的关键器件之一，国内外针对调制器进行了大量的研究工作，到现在其基本性能如调制速度、带宽和集成密度等都已经得到了很大提高，但是未来的光电互联要求其具有更高的性能，所以调制器一直是研究的热点。硅基光波导电光调制器因其易于集成吸引了众多国内外研究人员的广泛关注。近年来有关集成光波导电光调制器的研究逐渐成为热点，其中许多相关成果及应用进展被刊登在NATURE上。在2004年首先在SOI基片制备出电容式电光调制器，其调制速率达到1GHz。通过优化设计进一步缩小脊形波导的尺寸、改进了制备工艺、减小工艺本身的影响，最终 Intel将调制频率提高到了10GHz。国际上高速硅基电光调制器件的类型较多，基于微环谐振腔微结构的硅基高速电光调制器件得到了迅速的发展。在微环中传输的光波满足一定条件将会发生谐振。它具有波长选择的功能，能实现滤波器的选频作用。微环结构的制作工艺相对光栅结构的制作工艺要更加简单容易实现，工艺参数更好控制。微环谐振腔结构结合小截面、高折射率的波导可以实现缩小器件体积，降低弯曲波导损耗，提高电光调制速率。此外，宽带宽的光互连成为了迫切需求，波分复用也受到了广泛关注，为了实现波分复用，各研究专家提出了环形谐振腔电光调制器结构。环形光学谐振腔结构不仅具有选频特性已实现波分复用，还可以有效地增强折射率变化对传输特性的影响。     
结合石墨烯的高电子迁移率，对电场的快速响应，2011年加州伯克利分校的Liu Ming等人在nature上发表文章提出了一种基于石墨烯的宽带宽、高调制速度的波导集成电吸收调制器。通过控制电压来调制石墨烯的费米能级，结果表明在波长范围从1.35um到1.6um时，调制频率超过1GHz。该新型电光调制器结构的提出，为纳米集成光波导电光调制器提供了新思路。但是，由于这种单层石墨烯结构需要将底层硅掺杂，不仅增加了工艺的难度也会增加插入损耗。
自八十年代发现SOI（Silicon-on-insulator）材料良好的导波特性以来，SOI在电学和光学器件上获得了高速的发展。目前,SOI材料的制备技术已经比较成熟, 拥有氧离子注入、键合、背向腐蚀、区融再结晶、注氢智能剥离等多种技术.加工工艺的改善使SOI 波导传输损耗不断降低。2005年Xu Q等人首次提出将基于SOI微环谐振腔应用于光调制器。通过硅半导体自由载流子色散效应对折射率产生的影响使微环谐振谱产生频移从而实现电光调制，经过多次优化，调制频率可达10GHz以上。关于硅表面石墨烯的生长，中科院上海微系统所采用常压化学气相沉积的方法，基于铜箔衬底，利用甲烷作为碳源制备大面积高质量的石墨烯薄膜，通过控制温度、甲烷浓度、生长时间以及其气体流量来控制石墨烯的层数，实现石墨烯的可控制备。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法。本发明方法是结合石墨烯的高电子迁移率以及对电场的快速响应来制备一种基于SOI纳米光波导微环谐振腔的电光调制器件。
本发明方法是通过如下技术方案实现的：
一种基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
1）光波导微环谐振腔的仿真与设计
    利用Optiwave-FDTD和Rsoft对不同参数的SOI基微环腔进行仿真分析，筛选出Q值较高的设计，然后制备L-edit版图，进行工艺流片；其中，Optiwave-FDTD: OPTIFDTD是一款时域光子学模拟软件，它是一个强大、高结合度的应用软件，该软件程序的核心是根据有限差分时域演算法FDTD(Finite Difference Time Domain)，其具备二阶数值精准度以及最先进的边界条件——完美匹配层(PML)。采用此仿真软件可以精确演算所设计的结构在时间及空间领域的电磁场分布，它准许任意的几何图形并且没有组件材质的限制；Rsoft：包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM,等模块，也是光学仿真的；Q值：微环谐振腔的品质因数，代表微环谐振腔存储光的能力，这个参数直接决定微腔的优劣，高Q微腔是调制器的基础。L-edit版图：L-Edit是一款在计算机中进行工艺版图设计、规格检查、网表提取、标准单元自动布局连线等的一款软件，用于半导体工艺的版图设计；
2）光波导微环谐振腔的工艺制备
    取已有的SOI片，已有的SOI片顶层硅为220nm，氧化层厚度为3um，采用电子束光刻、ICP刻蚀、高温退火过程对SOI片进行SOI基微环腔的加工与表面光滑化处理，制得的SOI基微环腔中波导宽度为450nm，微环与波导间距110nm，微环直径30um（微环其实有内径与外径之分，但是其差值只有450nm，因此，在这里忽略了内外径之差，统称其直径为30 um）；
3）石墨烯到SOI微环谐振腔的转移
利用FIB设备将石墨烯转移至SOI微环谐振腔的表面（FIB（聚焦离子束，Focused Ion beam）：是将液态金属(Ga)离子源产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后照射于样品表面产生二次电子信号取得电子像，此功能与SEM（扫描电子显微镜）相似，或用强电流离子束对表面原子进行剥离，以完成微、纳米级表面形貌加工，通常是以物理溅射的方式搭配化学气体反应，有选择性的剥除或沉积石墨烯层；这种方法可以将纳米尺度下的石墨烯薄膜裁剪、转移至所需位置）：首先在SiO2基底上位于微环内的表面以及微环的表面上长一层石墨烯，并在石墨烯层上位于微环中心的位置引圆形电极片，在圆形电极片中心位置引一垂直设置的引线；然后在圆形电极片表面上、石墨烯层上位于圆形电极片以外的表面上以及SiO2基底上位于微环外的表面上长一层Al2O3-；接着在Al2O3-层上位于微环顶面及外侧面的表面上以及位于微环以外的表面上再长一层石墨烯；最后在第二层石墨烯上位于微环以外的位置引两个对称分布的电极；这样就得到了所述的基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器。
对本发明方法制得的电光调制器进行测试时，测试所使用的激光器（New Focus TLB-6728-P）波长范围1520nm到1570nm，线宽小于200kHz，输出光谱经过一个125MHz低噪光电探测器（New Focus 1811）转换后在示波器中输出。整个测试装置如图3所示。测试过程在石墨烯的电极上加上电信号，然后利用此过程中谐振峰的偏移，从示波器读取调制信号。
本发明方法使用的高品质因子的硅基光波导微环谐振腔能大大增强调制强度，在此基础上，生长的双层石墨烯的结构可以避免掺杂硅引入的插入损耗，且可以使结构尺寸更小、能耗更低。
本发明是利用硅基微环谐振腔与石墨烯结合方法制作的调制器。这样能提供很强的石墨烯与光的相互作用，提供高强度的光电转换；由于石墨烯对光的吸收与光的波长无关，所以可以进行宽频操控；同时石墨烯在室温下的载流子迁移率最高可达到200000 cm2V-1s-1，通过施加外电场可以使调制时间降至皮秒级别，也就是说理论上可达到500GHz的调制速率：再加上它能与CMOS工艺相兼容，这对以后集成光学芯片的微型化、高速化以及低功耗具有重大意义。
附图说明
图1为本发明中光波导微环谐振腔的SEM图。
图2为本发明方法制得的电光调制器的结构示意图。
图3为测试装置示意图。
图中：1-波导、2-微环、3-石墨烯、4-圆形电极片、5-引线、6- Al2O3、7-电极、8-SiO2基底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步地描述：
如图1、2所示，一种基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
1）光波导微环谐振腔的仿真与设计
    利用Optiwave-FDTD和Rsoft对不同参数的SOI基微环腔进行仿真分析，筛选出Q值较高的设计，然后制备L-edit版图，进行工艺流片；
2）光波导微环谐振腔的工艺制备
    取已有的SOI片，已有的SOI片顶层硅为220nm，氧化层厚度为3um，采用电子束光刻、ICP刻蚀、高温退火过程对SOI片进行SOI基微环腔的加工与表面光滑化处理，制得的SOI基微环腔中波导1宽度为450nm，微环2与波导1间距110nm，微环2直径30um；
3）石墨烯到SOI微环谐振腔的转移
利用FIB设备将石墨烯转移至SOI微环谐振腔的表面：首先在SiO2基底8上位于微环2内的表面以及微环2的表面上长一层石墨烯3，并在石墨烯3层上位于微环2中心的位置引圆形电极片4，在圆形电极片4中心位置引一垂直设置的引线5；然后在圆形电极片4表面上、石墨烯3层上位于圆形电极片4以外的表面上以及SiO2基底8上位于微环2外的表面上长一层Al2O36-；接着在Al2O36-层上位于微环2顶面及外侧面的表面上以及位于微环2以外的表面上再长一层石墨烯3；最后在第二层石墨烯3上位于微环2以外的位置引两个对称分布的电极7；这样就得到了所述的基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器。

Claims (1)

1.一种基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）光波导微环谐振腔的仿真与设计
    利用Optiwave-FDTD和Rsoft对不同参数的SOI基微环腔进行仿真分析，筛选出Q值较高的设计，然后制备L-edit版图，进行工艺流片；
2）光波导微环谐振腔的工艺制备
    取已有的SOI片，已有的SOI片顶层硅为220nm，氧化层厚度为3um，采用电子束光刻、ICP刻蚀、高温退火过程对SOI片进行SOI基微环腔的加工与表面光滑化处理，制得的SOI基微环腔中波导（1）宽度为450nm，微环（2）与波导（1）间距110nm，微环（2）直径30um；
3）石墨烯到SOI微环谐振腔的转移
利用FIB设备将石墨烯转移至SOI微环谐振腔的表面：首先在SiO2基底（8）上位于微环（2）内的表面以及微环（2）的表面上长一层石墨烯（3），并在石墨烯（3）层上位于微环（2）中心的位置引圆形电极片（4），在圆形电极片（4）中心位置引一垂直设置的引线（5）；然后在圆形电极片（4）表面上、石墨烯（3）层上位于圆形电极片（4）以外的表面上以及SiO2基底（8）上位于微环（2）外的表面上长一层Al2O3（6）-；接着在Al2O3（6）-层上位于微环（2）顶面及外侧面的表面上以及位于微环（2）以外的表面上再长一层石墨烯（3）；最后在第二层石墨烯（3）上位于微环（2）以外的位置引两个对称分布的电极（7）；这样就得到了所述的基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器。
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