CN103901638A - 具有四层石墨烯结构的光调制器 - Google Patents

Abstract

具有四层石墨烯波导的光调制器，属于光电子技术领域。包括一个SOI光波导，其半导体光波导层上方具有相互重叠的第一脊部和第二脊部，在半导体光波导层与第一脊部之间具有两层石墨烯层，第一脊部和第二脊部之间也具有两层石墨烯，各功能层之间采用隔离介质进行隔离；半导体光波导层与第一脊部之间的一层石墨烯和第一脊部和第二脊部之间的一层石墨烯采用一个金属电极相连，半导体光波导层与第一脊部之间的另一层石墨烯和第一脊部和第二脊部之间的另一层石墨烯采用另一个金属电极相连。本发明具有体积更小(5μm长度的有源区可获得高达30dB的消光比)、调制速率更高(3dB调制带宽可达114.8GHz)和便于集成的特点。

Description

具有四层石墨烯结构的光调制器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光调制器，尤其是具有石墨烯结构的光调制器。

背景技术

光调制器的基本结构包括一个光学晶体(或光波导)，所述光学晶体或光波导位于一个与光传输方向垂直的电场中间(电场可通过在光学晶体或光波导相对应的两个平行侧面加电极，然后在两电极之间加偏置电压实现)。由于偏置电场的存在，使得光经过所述光学晶体或光波导时，其折射率或吸收率发生变化，从而引起输出光的相位或振幅的变化，这就是光调制器的基本工作原理。

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，由于多媒体技术、计算机网络和接入网技术的飞快进步，使数据通信业务呈爆炸性增长，人们对带宽的需求越来越高，这就决定了光传输系统向超高速、大容量和长的中继距离的方向发展；另一方面由于互联网业务的突发性，不对称性以及业务量增长的不可预测性等决定了光纤通信还会从两点通信向网络化方向发展，特别是向密集波分复用(DWDM)的高性能、大容量、灵活的全光网络方向发展，这就使得在未来的光通信中，小型化、可集成、低功耗化、高速化的光调制器是必不可少的。

石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，石墨烯在室温下具有200000cm²/Vs的电子迁移率，是目前所知材料中，电子迁移率最高的材料；从紫外线到红外线光谱区，单层的石墨烯可以吸收2.3％的光；且石墨烯在施加偏置电压的情况下，可以有效改变石墨烯的光导率。由于石墨烯具有超快的电子迁移率、较高的光吸收的优良电光特性，从而石墨烯在调制器方面的潜在应用也日益得到关注。

石墨烯光调制器，在传统的绝缘体上硅(SOI)波导上铺设石墨烯，与CMOS工艺(微电子工艺)兼容。目前，将一层或两层石墨烯覆盖在硅波导上表面、中间和底部的文献都已有报道，韩国三星电子株式会社于2012年在中国申请发明专利“包括石墨烯的光学调制器”(见专利：赵成豪；郑现钟.包括石墨烯的光学调制器.中国,发明专利,2012.10,申请号CN201210397252.3和文献：Kinam Kim；Jae-Young Choi；Taek Kim；Seong-Ho Cho；Hyun-JongChung.A role for graphene in silicon-based semiconductor devices[J].Nature,2011,v479,n7373,p338-44)。如图1所示，该光学调制器相当于在SOI脊波导中两个上下重叠的第一脊部和第二脊部之间插入两层石墨烯，两层石墨烯具有上下相互重叠区域或相互之间具有一定间隙，当在两层石墨烯之间施加偏置电压时，通过石墨烯与传输光的相互作用，从而改变光通过该石墨烯光学调制器时的吸收率，最终达到光调制的目的。该石墨烯光学调制器通过调整摆放两个石墨烯的相对位置实现不同结构的光学调制器，其有源区长度为35μm，3dB调制带宽f3dB＝55GHz。

石墨烯光调制器的调制速率主要受限于光调制器的RC常数，实现石墨烯光调制器的高速率，就意味着要降低光调制器的RC常数。石墨烯光调制器的电阻R主要是由石墨烯-金属接触电阻R_c贡献，电容主要是石墨烯与石墨烯之间的重叠部分构成的电容贡献(见文献Liu,Ming；Yin,Xiaobo；Ulin-Avila,E.；Baisong Geng；Zentgraf,T.；Long Ju；Feng Wang；Xiang Zhang.A graphene-based broadband optical modulator[J].Nature,2011,v474,n7349,p64-67.和文献Kinam Kim；Jae-Young Choi；Taek Kim；Seong-Ho Cho；Hyun-Jong Chung.A role for graphene insilicon-based semiconductor devices.Nature,2011,v479,n7373,p338-44.)。

为了满足未来光纤通信技术对光调制器应当具有更高的调制速度、更小的开关时间以及实现可集成，现有石墨烯光调制器无论在体积、调制速率和开关时间方面都还有待进一步提高。

发明内容

为了进一步提高现有石墨烯光调制器的性能，尤其是进一步提高调制速率以及减小石墨烯光调制器的体积、实现可集成化，本发明提供一种具有四层石墨烯结构的光调制器。

本发明技术方案如下：

具有四层石墨烯结构的光调制器，如图2所示，包括一个SOI光波导，所述SOI光波导包括绝缘层21、位于绝缘层21下表面的半导体衬底层11和位于绝缘层21上表面的半导体光波导层12。所述半导体光波导层12上方具有相互重叠的第一脊部13和第二脊部14，第一脊部13和第二脊部14的材料与半导体光波导层12的材料相同。在半导体光波导层12与第一脊部13之间具有第一石墨烯层41和第二石墨烯层42，第一石墨烯层41与半导体光波导层12之间具有第一隔离介质层31，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间具有第二隔离介质层32，第二石墨烯层42与第一脊部13之间具有第三隔离介质层33。在第一脊部13与第二脊部14之间具有第三石墨烯层43和第四石墨烯层44，第三石墨烯层43与第一脊部13之间具有第四隔离介质层34，第三石墨烯层43和第四石墨烯层44之间具有第五隔离介质层35，第四石墨烯层44与第二脊部14之间具有第六隔离介质层36。第一脊部13和第二脊部14的前后两个共同的端面分别作为光调制器的光输入、输出端；第一石墨烯层41和第二石墨烯层42中，一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的一个侧面延伸出，另一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的另一个侧面延伸出；第三石墨烯层43和第四石墨烯层44中，一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的一个侧面延伸出，另一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的另一个侧面延伸出；从第一脊部13和第二脊部14共同的一个侧面延伸出的两层石墨烯采用第一金属电极51互连，从第一脊部13和第二脊部14共同的另一个侧面延伸出的两层石墨烯采用第二金属电极52互连。

进一步的，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间全部或部分重叠，第三石墨烯层43和第四石墨烯层44之间全部或部分重叠。

进一步的，若第一脊部13与第一金属电极51之间存在空隙，则采用第一填充介质22予以填充；若第一脊部13与第二金属电极52之间存在空隙，则采用第二填充介质23予以填充。

进一步的，所述半导体衬底层11、半导体光波导层12、第一脊部13和第二脊部14材料为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。

进一步的，所述绝缘层21和第一至第六隔离介质层31至36材料为半导体氧化物材料，其光折射率小于半导体光波导层12、第一脊部13和第二脊部14的光折射率。

进一步的，所述第一填充介质22和第二填充介质23材料为半导体氧化物材料，其光折射率小于半导体光波导层12、第一脊部13和第二脊部14的光折射率。

进一步的，所述半导体氧化物为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。

进一步的，所述第一金属电极51和第二金属电极52材料为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯。

本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器，器件工作时，在第一、二金属电极之间施加偏置电压，通过改变偏置电压，可调谐石墨烯的光导率，从而实现调谐波导的有效折射率；波导的有效折射率包括有效折射率实部和有效折射率虚部；调谐波导的有效折射率实部的变化来改变光信号的相位，调谐波导的有效折射率虚部的变化来改变光信号的幅度。四层石墨烯均设置在波导光场强度最大处，因此光场与四层石墨烯之间均有着强烈的相互作用，因而只需要较短的有源区就能实现π相位改变和光的完全吸收，意味着减小了调制器的体积，同时降低了光调制器的电容。四层石墨烯与金属电极的连接方式，其等效电路就相当于并联两部分电阻，根据电路知识，该光调制器的总接触电阻相当于只有相当于背景技术中所述韩国三星电子株式会社于2012年在中国申请发明专利“包括石墨烯的光学调制器”(申请号CN201210397252.3)总接触电阻的一半。由于本发明提供的光调制器具有更小的电容和电阻，使得RC系数明显降低，从而具有更高的调制速率。

综上所述，本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器具有如下效果：1、缩短了所需的有源区长度，减小了调制器的体积(具体表现为5μm长度的有源区，可获得高达30dB的消光比)；2、具有更高的调制速率(具体表现为3dB调制带宽可达114.8GHz)；3、制备工艺上可与传统SOI CMOS工艺相兼容，从而更易于集成。

附图说明

图1是韩国三星电子株式会社于2012年在中国申请发明专利“包括石墨烯的光学调制器”(申请号CN201210397252.3)中的光学调制器截面图。

图2是本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器的结构示意图。

图3是本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器的波导等效电路图。

图4是本发明实施例中传输光TM模的模场分布图。

图5是本发明实施例中传输光TM模在光调制器中的有效折射率随偏置电压的变化图。

图6是本发明实施例中电致吸收型调制器随传播距离光场的幅度变化图。

图7是本发明实施例中电光强度调制器归一化的调制曲线图。

图8是本发明实施例中光学调制器与图1所述光学调制器及传统硅基调制器在结构和性能上的参数对比图。

图中：

110-基板；112-氧化物层；120-半导体层；124-第一脊部；131-第一绝缘层、132-第二绝缘层、133第三绝缘层；141-第一石墨烯、142第二石墨烯；150-第二脊部；161-第一电极、162-第二脊部。

11-半导体衬底层；21-绝缘层；12-半导体波导层；22-第一填充介质、23-第二填充介质；13-第一脊部、14-第二脊部；31-第一隔离介质层、32-第二隔离介质层、33-第三隔离介质层、34-第四隔离介质层、35-第五隔离介质层、36-第六隔离介质层；41-第一石墨烯层、42-第二石墨烯层、43-第三石墨烯层、44-第四石墨烯层；51-第一金属电极、52-第二金属电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

具有四层石墨烯结构的光调制器，如图2所示，包括一个SOI光波导，所述SOI光波导包括绝缘层21、位于绝缘层21下表面的半导体衬底层11和位于绝缘层21上表面的半导体光波导层12。所述半导体光波导层12上方具有相互重叠的第一脊部13和第二脊部14，第一脊部13和第二脊部14的材料与半导体光波导层12的材料相同。在半导体光波导层12与第一脊部13之间具有第一石墨烯层41和第二石墨烯层42，第一石墨烯层41与半导体光波导层12之间具有第一隔离介质层31，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间具有第二隔离介质层32，第二石墨烯层42与第一脊部13之间具有第三隔离介质层33。在第一脊部13与第二脊部14之间具有第三石墨烯层43和第四石墨烯层44，第三石墨烯层43与第一脊部13之间具有第四隔离介质层34，第三石墨烯层43和第四石墨烯层44之间具有第五隔离介质层35，第四石墨烯层44与第二脊部14之间具有第六隔离介质层36。第一脊部13和第二脊部14的前后两个共同的端面分别作为光调制器的光输入、输出端；第一石墨烯层41和第二石墨烯层42中，一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的一个侧面延伸出，另一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的另一个侧面延伸出；第三石墨烯层43和第四石墨烯层44中，一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的一个侧面延伸出，另一层石墨烯从第一脊部13和第二脊部14共同的另一个侧面延伸出；从第一脊部13和第二脊部14共同的一个侧面延伸出的两层石墨烯采用第一金属电极51互连，从第一脊部13和第二脊部14共同的另一个侧面延伸出的两层石墨烯采用第二金属电极52互连。

进一步的，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间全部或部分重叠，第三石墨烯层43和第四石墨烯层44之间全部或部分重叠。

进一步的，若第一脊部13与第一金属电极51之间存在空隙，则采用第一填充介质22予以填充；若第一脊部13与第二金属电极52之间存在空隙，则采用第二填充介质23予以填充。

进一步的，所述半导体衬底层11、半导体光波导层12、第一脊部13和第二脊部14材料为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。

进一步的，所述绝缘层21和第一至第六隔离介质层31至36材料为半导体氧化物材料，其光折射率小于半导体光波导层12、第一脊部13和第二脊部14的光折射率。

进一步的，所述第一填充介质22和第二填充介质23材料为半导体氧化物材料，其光折射率小于半导体光波导层12、第一脊部13和第二脊部14的光折射率。

进一步的，所述半导体氧化物为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。

进一步的，所述第一金属电极51和第二金属电极52材料为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯。

本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器，器件工作时，在第一、二金属电极之间施加偏置电压，通过改变偏置电压，可调谐石墨烯的光导率，从而实现调谐波导的有效折射率；波导的有效折射率包括有效折射率实部和有效折射率虚部；调谐波导的有效折射率实部的变化来改变光信号的相位，调谐波导的有效折射率虚部的变化来改变光信号的幅度。四层石墨烯均设置在波导光场强度最大处，因此光场与四层石墨烯之间均有着强烈的相互作用，因而只需要较短的有源区就能实现π相位改变和光的完全吸收，意味着减小了调制器的体积，同时降低了光调制器的电容。四层石墨烯与金属电极的连接方式，其等效电路就相当于并联两部分电阻，根据电路知识，该光调制器的总接触电阻相当于只有相当于背景技术中所述韩国三星电子株式会社于2012年在中国申请发明专利“包括石墨烯的光学调制器”(申请号CN201210397252.3)总接触电阻的一半。由于本发明提供的光调制器具有更小的电容和电阻，使得RC系数明显降低，从而具有更高的调制速率。

实施例

图1是韩国三星电子株式会社于2012年在中国申请发明专利“包括石墨烯的光学调制器”(申请号CN201210397252.3)中的光学调制器截面图。其有源区长度为35μm，3dB调制带宽f3dB＝55GHz。

图2是本发明具有四层石墨烯结构的光调制器的结构示意图。本实施例采用的波长为1.55μm的光波。半导体衬底层11、半导体光波导层12、第一脊部13、第二脊部14是硅(Si)材料(折射率为3.47)，第一脊部13和第二脊部14宽度均为0.4μm，厚度均为0.13μm；绝缘层21、第一填充介质22和第二填充介质23是二氧化硅(SiO₂)材料(折射率为1.444)，绝缘层21的厚度0.5μm；第一隔离介质层31、第二隔离介质层32、第三隔离介质层33、第四隔离介质层34、第五隔离介质层35、第六隔离介质层36是氮化硼(hBN)材料(折射率为1.98)，厚度均为0.005μm；第一石墨烯层41、第二石墨烯层42、第三石墨烯层43、第四石墨烯层44厚度均为0.0007μm；第一石墨烯层41与第二石墨烯层42重叠部分的宽度为0.4μm，第三石墨烯层43与第四石墨烯层44重叠部分的宽度为0.4μm；第一金属电极51和第二金属电极52是钛金属材料，距离第一脊部13均为0.5μm。第一金属电极51将第一石墨烯层41、第二石墨烯层42之一和第三石墨烯层43、第四石墨烯层44之一连接在一起，第二金属电极52将相对应的另外两个石墨烯层连接在一起，其等效电路如图3所示。由等效电路图可知，系统的总的接触电阻R_total和电容C_total为：

$\frac{1}{R_{\mathrm{total}}}=\frac{1}{{2R}_c}+\frac{1}{{2R}_c}=\frac{1}{R};C_{\mathrm{total}}=2C$

其中Rc是石墨烯-金属钛电极的接触电阻，为Rc＝250Ω-μm，C是第一石墨烯层41与第二石墨烯层42重叠区构成的电容板电容。

图4是本发明实施例中TM模传输光在调制器中的模场分布图，采用COMSOLMultiphysics软件模拟仿真得到。可以看到光场基本限制在第二石墨烯层42与第三石墨烯层43之间，光场与第一石墨烯层41、第二石墨烯层42、第三石墨烯层43和第四石墨烯层44均有着强烈的相互作用。

图5是本发明实施例中TM模传输光在光调制器中的有效折射率随偏置电压的变化图。光调制器结构如图2所示，采用COMSOL Multiphysics软件模拟仿真得到，偏置电压施加在第一金属电极51和第二金属电极52之间。

本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器，可以是电致吸收型调制器或者是马赫-增德尔电光调制器。

图6是本发明实施例中电致吸收型调制器随传播距离光场的幅度变化图。电致吸收型调制器主要利用到波导折射率虚部的性质，来直接调制光波的幅度。采用单个波导结构，由图4知，在0.41eV时，波导对光的吸收是最弱的；在0.51eV时，对光的吸收是最强的。这样，我们可以控制电压工作在这两个点，当电压工作在0.41eV时，吸收型调制器处于一个“开”的状态；当电压工作在0.51eV时，吸收型调制器处于一个“关”的状态，功耗E＝11.55f J/bit，L＝5μm长度的有源区即可实现30dB的消光比调制，3dB调制带宽f_3dB＝114.78GHz。

图7是本发明实施例中马赫-增德尔电光调制器归一化的调制曲线图。马赫-增德尔电光调制器主要利用到波导折射率实部的性质，实现一个Pi相位的改变，但同时，也需考虑到波导对光的吸收。由图4知波导折射率实部改变最大的两个点是0.495eV和0.53eV，但在这两个点，波导对光的吸收比较强烈，因此需要折中选取工作电压。这里选取0.41eV(吸收最小点)和0.495eV，这两个点的工作状态时，有效折射率实部改变量为ΔN＝0.099，实现Pi相位改变需要长度为L₂＝7.83μm的有源区，功耗E＝12.64f J/bit。马赫-增德尔电光调制器工作时，其中一个臂保持工作在0.41eV(吸收最小点)点，而一个臂上的偏置电压可以动态的变化，从而实现对光信号的动态调制。马赫-增德尔电光调制器归一化的调制曲线表达式为：

其中α₁、α₂分别是马赫-增德尔电光调制器两臂的消光系数，且α₁是其中一个臂工作在0.41eV(吸收最小点)时的消光系数，α₂是另一个臂随着偏置电压改变而改变的消光系数，

是两臂出来光信号的相位差。由图7知，调制深度M＝(T_max-T_min)/(T_max-T_min)＝0.874，3dB调制带宽f_3dB＝114.8GHz。

图8是本发明实施例中光学调制器与图1所述光学调制器及传统LiNbO₃调制器在结构和性能上的参数对比图。由图8知，本发明提供的具有四层石墨烯结构的光调制器，在韩国三星电子株式会专利“包括石墨烯的光学调制器”基础上，减小了器件体积，降低了功耗，提高了调制速率，为未来超小型，可集成，低功耗，高速率的光调制器设计提供了一种方案。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.具有四层石墨烯结构的光调制器，包括一个SOI光波导，所述SOI光波导包括绝缘层(21)、位于绝缘层(21)下表面的半导体衬底层(11)和位于绝缘层(21)上表面的半导体光波导层(12)；所述半导体光波导层(12)上方具有相互重叠的第一脊部(13)和第二脊部(14)，第一脊部(13)和第二脊部(14)的材料与半导体光波导层(12)的材料相同；在半导体光波导层(12)与第一脊部(13)之间具有第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)，第一石墨烯层(41)与半导体光波导层(12)之间具有第一隔离介质层(31)，第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)之间具有第二隔离介质层(32)，第二石墨烯层(42)与第一脊部(13)之间具有第三隔离介质层(33)；在第一脊部(13)与第二脊部(14)之间具有第三石墨烯层(43)和第四石墨烯层(44)，第三石墨烯层(43)与第一脊部(13)之间具有第四隔离介质层(34)，第三石墨烯层(43)和第四石墨烯层(44)之间具有第五隔离介质层(35)，第四石墨烯层(44)与第二脊部(14)之间具有第六隔离介质层(36)；第一脊部(13)和第二脊部(14)的前后两个共同的端面分别作为光调制器的光输入、输出端；第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)中，一层石墨烯从第一脊部(13)和第二脊部(14)共同的一个侧面延伸出，另一层石墨烯从第一脊部(13)和第二脊部(14)共同的另一个侧面延伸出；第三石墨烯层(43)和第四石墨烯层(44)中，一层石墨烯从第一脊部(13)和第二脊部(14)共同的一个侧面延伸出，另一层石墨烯从第一脊部(13)和第二脊部(14)共同的另一个侧面延伸出；从第一脊部(13)和第二脊部(14)共同的一个侧面延伸出的两层石墨烯采用第一金属电极(51)互连，从第一脊部(13)和第二脊部(14)共同的另一个侧面延伸出的两层石墨烯采用第二金属电极(52)互连。

2.根据权利要求1所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，第一石墨烯层(41)和第二石墨烯层(42)之间全部或部分重叠，第三石墨烯层(43)和第四石墨烯层(44)之间全部或部分重叠。

3.根据权利要求1所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，若第一脊部(13)与第一金属电极(51)之间存在空隙，则采用第一填充介质(22)予以填充；若第一脊部(13)与第二金属电极(52)之间存在空隙，则采用第二填充介质(23)予以填充。

4.根据权利要求1、2或3所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，所述半导体衬底层(11)、半导体光波导层(12)、第一脊部(13)和第二脊部(14)材料为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。

5.根据权利要求1、2或3所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，所述绝缘层(21)和第一至第六隔离介质层(31至36)材料为半导体氧化物材料，其光折射率小于半导体光波导层(12)、第一脊部(13)和第二脊部(14)的光折射率。

6.根据权利要求3所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，所述第一填充介质(22)和第二填充介质(23)材料为半导体氧化物材料，其光折射率小于半导体光波导层(12)、第一脊部(13)和第二脊部(14)的光折射率。

7.根据权利要求5或6所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，所述半导体氧化物为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。

8.根据权利要求1至7之任一所述具有四层石墨烯结构的光调制器，其特征在于，所述第一金属电极(51)和第二金属电极(52)材料为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯。

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