CN105044929A - 基于石墨烯微环结构的热光调制器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯微环结构的热光调制器，包括作为基底的绝缘衬底上硅，所述绝缘衬底上硅上相邻设置有直波导和环形谐振腔，所述直波导和环形谐振腔上方设置有一层方块状的石墨烯导电层，所述石墨烯导电层另一端上方无交叠的设置有第一电极层和第二电极层。本发明中，石墨烯直接与硅微环波导接触，通过调控石墨烯上加载的电压来改变其产生的热量，最终实现硅微环中光的调制。这样的一种结构，制备较为简单，而且微环谐振腔非常敏感，加之硅较大的热光系数，最终可实现很强的光学调制。另外石墨烯超快的热导率，对于该器件的动态响应也会有较大的提升。

Description

基于石墨烯微环结构的热光调制器及其制造方法

技术领域

本发明涉及光调制器领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯微环结构的热光调制器及其制造方法。

背景技术

对光调制器而言，光调制器的调制深度、光谱范围和响应速度是衡量其性能的重要参数。传统的基于Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体（例如硅和砷化镓）的光调制器的光谱范围和调制速率受到其能带和载流子渡越时间的限制，因此难以实现超快宽带光调制器，不适用于某些对器件性能要求更加严格的应用场合，如超快宽带数据传输领域。另一方面，随着对器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不断减小，传统基于Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体的器件尺寸已经接近其极限。

硅光子互联技术由于其紧凑的尺寸、较低的能耗以及与电互联芯片的兼容性，从而得到广泛研究。但是纯硅材料较小的光电系数以及较低的载流子迁移率，使得硅基光调制器很难获得较高的调制性能。因此，该类器件不是受限于较大的器件尺寸、复杂的工艺流程，就是受限于热的不稳定性。所以，寻找一种可集成到硅基底的新材料从而在较小的器件尺寸上同时实现较高的调制深度和较低的能耗迫在眉睫。

石墨烯由于其优异的电学和光学方面的性质，被广泛应用于光电子领域。具体来讲，其狄拉克费米子的线性色散关系、超快的载流子迁移率以及与光场较强的相互作用，使得目前已有很多高性能的石墨烯光电器件被成功研制出来，比如石墨烯光调制器，探测器以及极化器。此外，在外加电场的作用下，石墨烯的费米能级以及光的吸收都会相应的改变。基于此光电效应，石墨烯被转移到光子晶体纳米腔以及硅波导上，用以实现高速宽带的光调制。然而，此类器件的结构大部分是电容结构，有着较为复杂的工艺加工流程以及较低的成品率。这一缺陷限制了它们在大规模光子集成回路中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种于石墨烯微环结构的热光调制器，能保证器件具有较大的调制深度以及较快的调制速率，同时其有源区的面积只有10μm²，可以提高器件的单片集成度。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于石墨烯微环结构的热光调制器，包括作为基底的绝缘衬底上硅，所述绝缘衬底上硅上相邻设置有直波导和环形谐振腔，所述直波导和环形谐振腔上方设置有一层方块状的石墨烯导电层，所述石墨烯导电层另一端上方设置有第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层之间无交叠。

进一步的，所述直波导两端有光栅。

优选的，所述直波导和环形谐振腔间距50-150nm。

优选的，所述绝缘衬底上硅包括1μm厚的氧化硅埋氧层以及氧化硅埋氧层上的顶层硅。

一种基于石墨烯微环结构热光调制器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1）使用绝缘衬底上硅作为基底，绝缘衬底上硅包括氧化硅埋氧层和氧化硅埋氧层上的顶层硅；

步骤2）采用电子束曝光技术在顶层硅上刻画图形，然后采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀顶层硅，最终得到直波导与环形谐振腔；

步骤3）在直波导与环形谐振腔之上生长一层石墨烯导电层，然后光刻和使用氧等离子体将石墨烯刻蚀成微米带状结构；

步骤4）先使用光刻定义图形区域，再由磁控溅射方法或电子束蒸发、热蒸发的方法沉积一层100-300nm厚的金属薄膜，然后通过剥离工艺制成第一电极层和第二电极层。

优选的，所述石墨烯导电层为单层或数层石墨烯。

优选的，所述石墨烯导电层采用机械剥离法或CVD法生长，之后通过转移技术转移在直波导与环形谐振腔上。

本发明的有益效果是:

因为硅较大的热光系数，热光调制器在过去数十年得到广泛深入的研究。该类器件与石墨烯的结合很有可能克服电光调制器所遗留下来的问题。值得注意的是，石墨烯的热导率高达5300W(mk)^-1,这表明石墨烯能够高效快速的传导热量。本发明中，石墨烯直接与硅微环波导接触，通过调控石墨烯上加载的电压来改变其产生的热量，最终实现硅微环中光的调制。这样的一种结构，制备较为简单，而且微环谐振腔非常敏感，加之硅较大的热光系数，最终可实现很强的光学调制。另外石墨烯超快的热导率，对于该器件的动态响应也会有较大的提升。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为制造方法步骤一结构示意图；

图2为制造方法步骤二结构示意图；

图3为制造方法步骤三结构示意图；

图4为热光调制器结构示意图；。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图4所示，该热光调制器形成于绝缘衬底上硅12之上，绝缘衬底上硅12包括氧化硅埋氧层1和氧化硅埋氧层1上的顶层硅2，顶层硅2上设置有直波导3、环形谐振腔4、一层方块状的石墨烯导电层5、第一电极层6，第二电极层7。所述直波导3与环形谐振腔4在一个平面内，均在顶层硅2上，它们之间有很小的间距，在50-150nm左右，直波导两端有光栅，以耦合光进出波导（光栅在图中未标示）；所述石墨烯导电层5位于直波导3以及环形谐振腔4之上，中间无任何绝缘层；所述第一电极层6和第二电极层7均位于石墨烯导电层5上，第一电极层6和第二电极层7之间无任何交叠。

该光调制器的制造方法的具体示例由图2至图4所示，包括以下步骤：

步骤1）如图1所示，使用绝缘衬底上硅作12为基底，绝缘衬底上硅包括1μm厚的氧化硅埋氧层1和氧化硅埋氧层1上的顶层硅2，顶层硅2刻蚀前为340nm。

步骤2）如图2所示，采用电子束曝光技术在顶层硅2上刻画图形，然后采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀顶层硅2，最终得到直波导3与环形谐振腔4。

步骤3）如图3所示，在直波导3与环形谐振腔4之上生长一石墨烯导电层5，可以为单层或数层石墨烯，也可采用机械剥离法或CVD法生长，之后通过转移技术转移在直波导3与环形谐振腔4上。然后光刻和使用氧等离子体将石墨烯刻蚀成微米带状结构。此时，石墨烯导电层5和环形谐振腔4直接接触，这样石墨烯产生的热量可以直接快速地转移到微环谐振腔4上，大大提高光调制器的调制效率。

步骤4）如图4所示，先使用光刻定义图形区域，再由磁控溅射方法或电子束蒸发、热蒸发的方法沉积一层100-300nm厚的金属薄膜，然后通过剥离工艺制成第一电极层6和第二电极层7。第一电极层6和第二电极层7可以为金属材料，如铬、钛、铝或金等，也可为透明导电材料，如氧化铟锡（ITO）或氧化锌铝（AZO）等。第一电极层6和第二电极层7可以为同一种材料，也可以为不同的材料。此时第一电极层6和第二电极层7与石墨烯导电层5有一定的交叠，但电极6和电极7之间无任何交叠。

上述步骤完成后即可进入器件的测试阶段。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯微环结构的热光调制器，其特征在于：包括作为基底的绝缘衬底上硅（12），所述绝缘衬底上硅（12）上相邻设置有直波导（3）和环形谐振腔（4），所述直波导（3）和环形谐振腔（4）上方设置有一层方块状的石墨烯导电层（5），所述石墨烯导电层（5）另一端上方设置有第一电极层（6）和第二电极层（7），所述第一电极层（6）和第二电极层（7）之间无交叠。

2.根据权利要求1所述的热光调制器，其特征在于：所述直波导（3）两端有光栅。

3.根据权利要求1所述的热光调制器，其特征在于：所述直波导（3）和环形谐振腔（4）间距50-150nm。

4.根据权利要求1所述的热光调制器，其特征在于：所述绝缘衬底上硅（12）包括1μm厚的氧化硅埋氧层（1）以及氧化硅埋氧层（1）上的顶层硅（2）。

5.一种基于石墨烯微环结构热光调制器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）使用绝缘衬底上硅作为基底，绝缘衬底上硅包括氧化硅埋氧层和氧化硅埋氧层上的顶层硅；

步骤2）采用电子束曝光技术在顶层硅上刻画图形，然后采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀顶层硅，最终得到直波导与环形谐振腔；

步骤3）在直波导与环形谐振腔之上生长一层石墨烯导电层，然后光刻和使用氧等离子体将石墨烯刻蚀成微米带状结构；

步骤4）先使用光刻定义图形区域，再由磁控溅射方法或电子束蒸发、热蒸发的方法沉积一层100-300nm厚的金属薄膜，然后通过剥离工艺制成第一电极层和第二电极层。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述石墨烯导电层为单层或数层石墨烯。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述石墨烯导电层采用机械剥离法或CVD法生长，之后通过转移技术转移在直波导与环形谐振腔上。