CN104181707A - 一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，包括基板(30)、石墨烯水平嵌入的第一石墨烯脊形波导(10)和石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波导(20)，第一石墨烯脊形波导(10)和第二石墨烯脊形波导(20)均位于基板(30)上，第一石墨烯脊形波导(10)中嵌入的石墨烯和第二石墨烯脊形波导(20)中嵌入的石墨烯相互垂直。本发明通过加入石墨烯嵌入方向相互垂直的两段波导，可以起到同时对TE和TM模有效折射率的动态调谐，从而达到对入射光波偏振方向无关的调制，有效地解决目前石墨烯光调制器对入射光波偏振方向敏感的技术难题，同时还缩短了光调制器的尺寸，减小了调制器的体积，具有较高的调制速率。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器。
背景技术
光调制器的基本结构包括一个光波导，施加电场到光波导中，使得光经过所述光波导时其对入射光的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。
石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，在未来可以用它来代替传统的半导体材料。它在室温下具有200000cm2/Vs的载流子迁移率，大约是硅材料的载流子迁移率100倍以上。石墨烯在外加电压下，光导率也会随之发生变化，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有的零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用。这些特殊的光电特性使得石墨烯在光电子器件方面有着广泛的潜在应用。
基于石墨烯材料的光学调制器已经得到广泛的研究，都是基于在传统的SOI光波导中水平铺设石墨烯层，将偏置电压施加在石墨烯层上，以改变石墨烯本身的复折射率来改变对入射光的折射率或吸收率，从而达到对入射光的相位或振幅的调制(见文献Ming Liu,Xiaobo Yin,Ulin-Avila,E,Baisong Geng,Zentgraf T,Long Ju,Feng Wang,Xiang Zhang.Agraphene-based broadband optical modulator.Nature,2011,Vol 474,p 64-67和Gosciniak Jacek,Tan Dawn T H.Theoretical investigation of graphene-based photonic modulators.ScientificReports,2013,Vol 3)。这种将石墨烯层水平铺设于光波导中，制作工艺相对较简单，但基于这种结构的石墨烯调制器都存在一个共同的缺点，就是对入射光的偏振方向敏感，只能对特定偏振方向的光波产生有效的调制，即都是偏振相关的，限制了这种光调制器的使用范围，无法进行推广利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过加入石墨烯嵌入方向相互垂直的两段波导，起到同时对TE和TM模有效折射率的动态调谐，从而达到对入射光波偏振方向无关的调制的基于石墨烯的偏振不敏感光调制器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，包括基板、石墨烯水平嵌入的第一石墨烯脊形波导和石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波导，第一石墨烯脊形波导和第二石墨烯脊形波导均位于基板上，第一石墨烯脊形波导中嵌入的石墨烯和第二石墨烯脊形波导中嵌入的石墨烯相互垂直；
第一石墨烯脊形波导从上到下依次包括第一脊部、第一水平嵌入石墨烯层、第二水平嵌入石墨烯层和第二脊部，第一脊部与第一水平嵌入石墨烯层被第一隔离介质层隔离，第一水平嵌入石墨烯层与第二水平嵌入石墨烯层被第二隔离介质层隔离，第二水平嵌入石墨烯层与第二脊部被第三隔离介质层隔离；
所述的第二石墨烯脊形波导从左到右依次包括第三脊部、第一垂直嵌入石墨烯层、第二垂直嵌入石墨烯层和第四脊部，第三脊部与第一垂直嵌入石墨烯层被第四隔离介质层隔离，第一垂直嵌入石墨烯层与第二垂直嵌入石墨烯层被第五隔离介质层隔离，第二垂直嵌入石墨烯层与第四脊部被第六隔离介质层隔离；
所述的基板包括半导体衬底层和位于半导体衬底层上表面的绝缘层，第一石墨烯脊形波导和第二石墨烯脊形波导位于绝缘层上。
进一步地，所述的第一水平嵌入石墨烯层与第二水平嵌入石墨烯层之间全部或部分重叠，并从第一石墨烯脊形波导侧面延伸出来，连接电极。
进一步地，所述的第一垂直嵌入石墨烯层与第二垂直嵌入石墨烯层之间全部或部分重叠，并从第二石墨烯脊形波导上表面延伸出来，连接电极。
进一步地，所述的半导体衬底层、第一脊部、第二脊部、第三脊部和第四脊部的材料为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体，绝缘层、第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层、第四隔离介质层、第五隔离介质层和第六隔离介质层的材料为半导体氧化物材料，所述的硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体的光折射率大于半导体氧化物材料。
进一步地，所述的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。
本发明的有益效果是：
1、石墨烯水平嵌入的波导只对TM模有效折射率敏感而对TE模有效折射率改变非常小，石墨烯垂直嵌入的波导只对TE模有效折射率敏感而对TM模有效折射率改变非常小，加入石墨烯嵌入方向相互垂直的两段波导，可以起到同时对TE和TM模有效折射率的动态调谐，从而达到对入射光波偏振方向无关的调制，有效地解决目前石墨烯光调制器对入射光波偏振方向敏感的技术难题；
2、所嵌入的石墨烯都放置在波导光场强度最大处，因此光场与石墨烯之间可以最大程度地的相互作用，只需要较短的有源区就可以达到π的相位调制和光的完全吸收，缩短了光调制器的尺寸，减小了调制器的体积；
3、减小了系统的电容系数，即减小了RC时间常数对于调制速率的限制，具有较高的调制速率；
4、制备工艺上可与传统SOI CMOS工艺相兼容，易于集成。
附图说明
图1为本发明的偏振不敏感光调制器的有源区结构示意图；
图2为本发明的第一石墨烯脊形波导横截面结构示意图；
图3为本发明的第二石墨烯脊形波导横截面结构示意图；
图4为本发明的实施例第一石墨烯脊形波导TE和TM模的模场分布图；
图5为本发明的实施例第一石墨烯脊形波导TE和TM模的有效折射率随偏置电压的变化图；
图6本发明的实施例第二石墨烯脊形波导TE和TM模的模场分布图；
图7为本发明的实施例第二石墨烯脊形波导TE和TM模的有效折射率随偏置电压的变化图；
图中，10-第一石墨烯脊形波导，20-第二石墨烯脊形波导，30-基板，11-第一脊部，12-第二脊部，13-第一水平嵌入石墨烯层，14-第二水平嵌入石墨烯层，15-第一隔离介质层，16-第二隔离介质层，17-第三隔离介质层，21-第三脊部，22-第四脊部，23-第一垂直嵌入石墨烯层，24-第二垂直嵌入石墨烯层，25-第四隔离介质层，26-第五隔离介质层，27-第六隔离介质层，31-半导体衬底层，32-绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。
图1为本发明的偏振不敏感光调制器的有源区结构示意图，图2为本发明的第一石墨烯脊形波导和第二石墨烯脊形波导横截面结构示意图。如图1、图2所示，一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，包括基板30、石墨烯水平嵌入的第一石墨烯脊形波导10和石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波导20，第一石墨烯脊形波导10和第二石墨烯脊形波导20均位于基板30上，第一石墨烯脊形波导10中嵌入的石墨烯和第二石墨烯脊形波导20中嵌入的石墨烯相互垂直；
第一石墨烯脊形波导10从上到下依次包括第一脊部11、第一水平嵌入石墨烯层13、第二水平嵌入石墨烯层14和第二脊部12，第一脊部11与第一水平嵌入石墨烯层13被第一隔离介质层15隔离，第一水平嵌入石墨烯层13与第二水平嵌入石墨烯层14被第二隔离介质层16隔离，第二水平嵌入石墨烯层14与第二脊部12被第三隔离介质层17隔离；
所述的第二石墨烯脊形波导20从左到右依次包括第三脊部21、第一垂直嵌入石墨烯层23、第二垂直嵌入石墨烯层24和第四脊部22，第三脊部21与第一垂直嵌入石墨烯层23被第四隔离介质层25隔离，第一垂直嵌入石墨烯层23与第二垂直嵌入石墨烯层24被第五隔离介质层26隔离，第二垂直嵌入石墨烯层24与第四脊部22被第六隔离介质层27隔离；
所述的基板30包括半导体衬底层31和位于半导体衬底层31上表面的绝缘层32，第一石墨烯脊形波导10和第二石墨烯脊形波导20位于绝缘层32上。
进一步地，所述的第一水平嵌入石墨烯层13与第二水平嵌入石墨烯层14之间全部或部分重叠，并从第一石墨烯脊形波导10侧面延伸出来，连接电极。
进一步地，所述的第一垂直嵌入石墨烯层23与第二垂直嵌入石墨烯层24之间全部或部分重叠，并从第二石墨烯脊形波导20上表面延伸出来，连接电极。
进一步地，所述的半导体衬底层31、第一脊部11、第二脊部12、第三脊部21和第四脊部22的材料为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。
进一步地，所述的绝缘层32、第一隔离介质层15、第二隔离介质层16、第三隔离介质层17、第四隔离介质层25、第五隔离介质层26和第六隔离介质层27的材料为半导体氧化物材料，所述的硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体的光折射率大于半导体氧化物材料。
进一步地，所述的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。
本发明的光调制器的工作原理为：器件工作时，偏置电压同时施加在嵌入方向相互垂直的两段石墨烯上，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。石墨烯水平嵌入的波导只对TM模有效折射率敏感而对TE模有效折射率改变非常小；石墨烯垂直嵌入的波导只对TE模有效折射率敏感而对TM模有效折射率改变非常小。加入石墨烯嵌入方向相互垂直的这两段波导，可以起到同时对TE和TM模有效折射率的动态调谐，从而达到对入射光波偏振方向无关的调制。所嵌入的石墨烯都放置在波导光场强度最大处，因此光场与石墨烯之间可以最大程度地的相互作用，只需要较短的有源区就可以达到π的相位调制和光的完全吸收，缩短了光调制器的尺寸，减小了系统的电容系数，即减小了RC时间常数对于调制速率的限制，提高了调制速率。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：本实施例采用波长为1.55μm的光波，半导体衬底层31、第一脊部11、第二脊部12、第三脊部21和第四脊部22采用硅(Si)材料(折射率为3.47)；第一石墨烯脊形波导10和第二石墨烯脊形波导20宽度均为0.4μm，厚度均为0.4μm；第一隔离介质层15、第二隔离介质层16、第三隔离介质层17、第四隔离介质层25、第五隔离介质层26和第六隔离介质层27材料为氧化铝(Al2O3)材料(折射率为1.732)，厚度均为7nm；绝缘层32是二氧化硅(SiO2)材料(折射率为1.444)。
图3是本发明实施例中第一石墨烯脊形波导10的TE和TM模的模场分布图，工作在0.51eV时，采用COMSOL Multiphysics软件模拟仿真得到TE和TM模在波导中的模场分布。
图4是本发明实施例中第一石墨烯脊形波导10的TE和TM模的有效折射率随偏置电压的变化图。由图4知，水平嵌入石墨烯对波导的TE模的有效折射率的影响较小，而对TM模的有效折射率非常显著。TM的有效折射率实部Neff在0.495eV时达到一个最小值，在0.53eV达到一个最大值，两者差值ΔNeffTM＝0.12，这对设计马赫-增德尔电光调制器是一个有利的性质；TM的有效折射率虚部α在0.4eV时达到一个最小值，而在0.51eV时达到一个峰值0.1206，这样的性质有利于设计一个电吸收型的光调制器，TM模式光工作在0.4eV时相当于“开”状态，工作在0.51eV时相当于“关”状态。
图5是本发明实施例中第二石墨烯脊形波导20的TE和TM模的模场分布图，工作在0.51eV时，采用COMSOL Multiphysics软件模拟仿真得到TE和TM模在波导中的模场分布。
图6是本发明实施例中第二石墨烯脊形波导20的TE和TM模的有效折射率随偏置电压的变化图。由图6知，垂直嵌入石墨烯对波导的TM模的有效折射率的影响较小，而对TE模的有效折射率非常显著。TE模的有效折射率实部Neff在0.495eV时达到一个最小值，在0.53eV达到一个最大值，两者差值ΔNeffTE＝0.136，这对设计马赫-增德尔电光调制器是一个有利的性质；TE模的有效折射率虚部α在0.4eV时达到一个最小值0.0005145，而在0.51eV时达到一个峰值0.1368，这样的性质有利于设计一个电吸收型的光调制器，TE模式光工作在0.4eV时相当于“开”状态，工作在0.51eV时相当于“关”状态。
表1是本发明实施例基于石墨烯的偏振不敏感光调制器性能参数表，光调制器是基于光吸收的效应，第一石墨烯脊形波导10长波L1为5.7μm，第二石墨烯脊形波导20长度L2为5μm，单个比特调制的功率消耗Ebit为24.65fJ，消光比可达24dB，3dB带宽f3dB＝131GHz。
表1 本发明实施例基于石墨烯的偏振不敏感光调制器性能参数表
| L1 | L2 | Ebit(fJ) | f3dB(GHz) | ER(dB) |
| 5.7μm | 5μm | 24.65 | 131 | 24 |
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 (7)
1.一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：包括基板(30)、石墨烯水平嵌入的第一石墨烯脊形波导(10)和石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波导(20)，第一石墨烯脊形波导(10)和第二石墨烯脊形波导(20)均位于基板(30)上，第一石墨烯脊形波导(10)中嵌入的石墨烯和第二石墨烯脊形波导(20)中嵌入的石墨烯相互垂直；
第一石墨烯脊形波导(10)从上到下依次包括第一脊部(11)、第一水平嵌入石墨烯层(13)、第二水平嵌入石墨烯层(14)和第二脊部(12)，第一脊部(11)与第一水平嵌入石墨烯层(13)被第一隔离介质层(15)隔离，第一水平嵌入石墨烯层(13)与第二水平嵌入石墨烯层(14)被第二隔离介质层(16)隔离，第二水平嵌入石墨烯层(14)与第二脊部(12)被第三隔离介质层(17)隔离；
所述的第二石墨烯脊形波导(20)从左到右依次包括第三脊部(21)、第一垂直嵌入石墨烯层(23)、第二垂直嵌入石墨烯层(24)和第四脊部(22)，第三脊部(21)与第一垂直嵌入石墨烯层(23)被第四隔离介质层(25)隔离，第一垂直嵌入石墨烯层(23)与第二垂直嵌入石墨烯层(24)被第五隔离介质层(26)隔离，第二垂直嵌入石墨烯层(24)与第四脊部(22)被第六隔离介质层(27)隔离；
所述的基板(30)包括半导体衬底层(31)和位于半导体衬底层(31)上表面的绝缘层(32)，第一石墨烯脊形波导(10)和第二石墨烯脊形波导(20)位于绝缘层(32)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：所述的第一水平嵌入石墨烯层(13)与第二水平嵌入石墨烯层(14)之间全部或部分重叠，并从第一石墨烯脊形波导(10)侧面延伸出来，连接电极。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：所述的第一垂直嵌入石墨烯层(23)与第二垂直嵌入石墨烯层(24)之间全部或部分重叠，并从第二石墨烯脊形波导(20)上表面延伸出来，连接电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：所述的半导体衬底层(31)、第一脊部(11)、第二脊部(12)、第三脊部(21)和第四脊部(22)的材料为硅、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4所述的一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：所述的绝缘层(32)、第一隔离介质层(15)、第二隔离介质层(16)、第三隔离介质层(17)、第四隔离介质层(25)、第五隔离介质层(26)和第六隔离介质层(27)的材料为半导体氧化物材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：所述的硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体的光折射率大于半导体氧化物材料。
7.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器，其特征在于：所述的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。
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