CN104297949A - 基于高q环形谐振腔的石墨烯电光调制器 - Google Patents

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李艳娜
张文栋
梁庭
韦丽萍
王飞
王永华
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Abstract

本发明为一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器，包括高Q环形谐振系统，在其环形波导上取周长的一部分覆盖制作双层石墨烯薄膜调制系统，双层石墨烯薄膜调制系统包括底层电介质层、底层石墨烯、中间电介质层和顶层石墨烯，在顶层石墨烯和底层石墨烯之间加入电压V(t)。本发明调制器集成了石墨烯宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势，在增加调制深度的同时，通过缩减石墨烯面积来减小RC延迟的方式增加最大调制频率，从而解决目前直波导石墨烯调制器中存在的调制深度和调制带宽此消彼长的两难问题。预期实现的3dB带宽可达100GHz以上。

Description

基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，具体是一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器。
背景技术
石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，单层石墨烯原子的吸收光比率为2.3%，因为石墨烯为零间隙的价带结构，则可以通过电压控制其米能级位置，以此调制它的光吸收。有报道（参见Ming Liu et.al, “A graphene –based broadband optical modulation” Nature No.474,pp 64-67, 2011）称，利用单层石墨烯和直波导的结构制成的光电调制器，对光波长的范围为1.3-1.6微米的光波可进行全部吸收，由于直波导不具有选频特性，其实为一种“盲目吸收”，不具有选频特性。
Steven J.等人的研究结果表明（Steven J. Koester, Mo Li, “High-speed waveguide-coupled graphene-on-graphene optical modulators” Appl. Optical Modulator Phys. Lett. 100（171107）, 2012），石墨烯的3dB带宽理论上可达120GHz ，而Liu Ming等人最新提出的结构（Ming Liu, et.al, “Double-Layer Graphene Optical Modulator” Nano Lett.12（3）, pp 1482–1485, 2012）所提出了石墨烯/直波导的光调制器结构，其调制频率为1GHz，他们实验上的结果与理论还存在巨大差距。
发明内容
本发明的目的是为解决目前直波导石墨烯调制器中存在的调制深度和调制带宽此消彼长的两难问题，而提供一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器。本发明是利用高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势，通过缩减石墨烯面积来减小RC延迟的方式增加最大调制频率。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器，包括高Q环形谐振腔谐振系统，该系统包括环形波导、in端输入以及out,drop双端输出，该系统是用SOI材料所设计出来的：包括衬底硅，衬底硅上表面设有埋氧层，埋氧层上设有波导层，在波导层上设计加工出环形波导、in端输入以及out,drop双端输出；在环形波导上取周长的一部分覆盖制作双层石墨烯薄膜调制系统，双层石墨烯薄膜调制系统包括底层电介质层、底层石墨烯、中间电介质层和顶层石墨烯，其中，在整个环形波导的表面以及埋氧层上位于环形波导内外且紧邻环形波导的表面覆盖底层电介质层；在底层电介质层的表面覆盖底层石墨烯，但位于环形波导内的底层电介质层的表面不覆盖底层石墨烯；在底层石墨烯的表面以及位于环形波导内的底层电介质层的表面覆盖中间电介质层；在中间电介质层的表面覆盖顶层石墨烯，但位于环形波导外的中间电介质层的表面不覆盖顶层石墨烯；在顶层石墨烯和底层石墨烯之间加入电压V(t)。同时，基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成，从而提升片上光互联系统的集成程度和降低技术复杂性。
通过在顶层石墨烯与底层石墨烯之间加载电场，通过电场的改变调节石墨烯费米能级的位置，从而控制石墨烯对光场能量的吸收，进而对环形波导drop端选频出来的特定光谱进行调制，以此实现调制器的功用。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明创新性地提出了一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器（简称GRW调制器），该调制器集成了石墨烯宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势，在保持最大调制深度（约6dB）的同时，通过缩减石墨烯面积来减小RC延迟的方式增加最大调制频率，从而解决目前直波导石墨烯调制器中存在的调制深度和调制带宽此消彼长的两难问题。预期实现的3dB带宽可达100GHz以上。同时，基于微环谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成，从而提升片上光互联系统的集成程度和降低技术复杂性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中双层石墨烯薄膜调制系统的结构示意图。
图3为光波导谐振腔具有光程放大示意图。
图4为光波导谐振腔选频后形成的特定光谱。
图5为本发明装置制备工艺流程图。
图中： 1-环形波导、2-双层石墨烯薄膜调制系统、2-1-底层电介质层、2-2-底层石墨烯、2-3-中间电介质层、2-4-顶层石墨烯、3-埋氧层、4-衬底硅。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器，包括高Q环形谐振腔谐振系统，该系统包括环形波导1、in端输入以及out,drop双端输出，该系统是用SOI材料所设计出来的：包括衬底硅4，衬底硅4上表面设有埋氧层3，埋氧层3上设有波导层，在波导层上设计加工出环形波导1、in端输入以及out,drop双端输出；在环形波导1上取周长的一部分覆盖制作双层石墨烯薄膜调制系统2，双层石墨烯薄膜调制系统2包括底层电介质层2-1、底层石墨烯2-2、中间电介质层2-3和顶层石墨烯2-4，如图2所示，其中，在整个环形波导1的表面以及埋氧层3上位于环形波导1内外且紧邻环形波导1的表面覆盖底层电介质层2-1；在底层电介质层2-1的表面覆盖底层石墨烯2-2，但位于环形波导1内的底层电介质层2-1的表面不覆盖底层石墨烯2-2；在底层石墨烯2-2的表面以及位于环形波导（1）内的底层电介质层2-1的表面覆盖中间电介质层2-3；在中间电介质层2-3的表面覆盖顶层石墨烯2-4，但位于环形波导1外的中间电介质层2-3的表面不覆盖顶层石墨烯2-4；在顶层石墨烯2-4和底层石墨烯2-2之间加入电压V(t)，通过改变电压V(t)来调制石墨烯费米能级，进而改变石墨烯吸收光场强度。
光波导谐振腔具有光程放大的原因如图3所示，一个范围的光从直波导in端输入，经过环形谐振腔，特定的频率的波长被选出耦合进入腔内传输，而腔的Q值越高，光在腔内旋转的次数越多，最后从drop输出端耦合出来。利用谐振腔光程放大的优势，本发明仅在腔的一部分覆盖一小面积双层石墨烯薄膜调制系统2，就相当于覆盖了很长的石墨烯层。而由此可以减小由同等长度直波导石墨烯带来的RC延迟。
光波导谐振腔还具有选频功能，一段范围内连续频率的波长由in端输入，一经过环形谐振腔，特定的频率的波长被选出耦合进入腔内传输，继而从drop输出端耦合出来，形成特定的光谱，如图4所示。
对于调制器，最重要的一个指标就是它的响应速度，而这个指标的代表参数就是3dB带宽。对于石墨烯/直波导调制器来讲，石墨烯—电介质—石墨烯夹层结构相当于与一个CMOS电容结构，基于RC电路的GRW调制的3dB带宽受电容和串联电阻的影响，具体关系影响如式（1）：
                                                                                 （1）
是串联电阻，是调制器的电容，其表达式如式（2）：
                              （2）
是石墨烯的量子电容，表示为每一层石墨烯与氧化物的单位面积电容可表示为，是真空介电常数，EOT是与SiO2等效的氧化物厚度。和是条形调制器的宽度和长度，假设串联电阻包括接触电阻、石墨烯层电阻，则R-C电路的带宽可以近似的表示为式（3）：
                    （3）                   
由公式（3）可以看出，要想增大3dB带宽，需要减小分母，则要减小电容电阻，减小石墨烯电阻，直波导调制器的宽度。
因此选用强光场局域能力的高Q微谐振腔与石墨烯集成而得的本发明调制器既有选频特性，又有高的调制速率，那本发明调制器的调制带宽可达到100GHz，且调制深度可达到10dB。
本发明装置的制备工艺过程如图5所示：
（a）利用电子束光刻技术，在SOI材料顶层硅上，加工制备环形波导1谐振腔、in端输入及out,drop双端输出等组成的谐振系统；
（b）在环形波导1上取周长的一部分，利用ALD沉积一层电介质层薄膜，即底层电介质层2-1；
（c）在底层电介质层2-1上，转移第一层石墨烯，即底层石墨烯2-2，并通过光刻和等离子体刻蚀，刻出所需的图形；
（d）接着再利用原子层沉积系统ALD，在底层石墨烯2-2上生长一层三氧化二铝作为两层石墨烯之间的绝缘层，即中间电介质层2-3；
（e）最后在中间电介质层2-3上转移顶层石墨烯2-4，再利用电子束光刻和等离子体刻蚀的方法刻蚀处顶层石墨烯2-4的图形；
（f）在顶层石墨烯2-4和底层石墨烯2-2之间制作电极，加入电压V(t)，进行调制器的电压调节。

Claims (1)

1.一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器，包括高Q环形谐振腔谐振系统，该系统包括环形波导（1）、in端输入以及out,drop双端输出；其特征在于：在环形波导（1）上取周长的一部分覆盖制作双层石墨烯薄膜调制系统（2），双层石墨烯薄膜调制系统（2）包括底层电介质层（2-1）、底层石墨烯（2-2）、中间电介质层（2-3）和顶层石墨烯（2-4），其中，在整个环形波导（1）的表面以及埋氧层（3）上位于环形波导（1）内外且紧邻环形波导（1）的表面覆盖底层电介质层（2-1）；在底层电介质层（2-1）的表面覆盖底层石墨烯（2-2），但位于环形波导（1）内的底层电介质层（2-1）的表面不覆盖底层石墨烯（2-2）；在底层石墨烯（2-2）的表面以及位于环形波导（1）内的底层电介质层（2-1）的表面覆盖中间电介质层（2-3）；在中间电介质层（2-3）的表面覆盖顶层石墨烯（2-4），但位于环形波导（1）外的中间电介质层（2-3）的表面不覆盖顶层石墨烯（2-4）；在顶层石墨烯（2-4）和底层石墨烯（2-2）之间加入电压V(t)。
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