CN105607301B - 一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，包括基底层，基底层上端面设置有第一光波导层和第二光波导层，第一光波导层和第二光波导层之间从下往上依次设置有第一隔离介质层、第一石墨烯层、第二隔离介质层、第二石墨烯层及第三隔离介质层，第三隔离介质层的上端面和右侧面覆盖所述第二光波导层，第一石墨烯层和第二石墨烯层均从第一光波导层的左侧面向外部分延伸形成延伸部，第一石墨烯层和第二石墨烯层的延伸部分别连接有第一电极和第二电极，第一石墨烯层的延伸部设置有第一绝缘层，第二石墨烯层的延伸部设置有第二绝缘层。本发明可以同时对TE和TM模的光吸收系数进行一致的动态调谐，从而实现对光波的偏振不敏感调制。
Description
技术领域
本发明涉及一种电光调制器，属光电子技术领域，更具体的说是涉及一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器。
背景技术
光调制器是将电信号转加载到光信号并送入光纤进行传输的模块，是光纤通信系统中的关键器件之一。在短脉冲的产生、信号的解复用、数据编码、光互联、波长交换、光分插复用等领域有着广泛的应用，是未来高速光通信系统的核心器件之一，有着极为广阔的应用空间。目前，高功率激光系统的前端预放系统中所用的偏振控制器是手动偏振控制器，不能实时调整偏振态的改变，而且一般的光调制器中包含有起偏元件，必然会导致输出脉冲幅度的变化，影响系统输出能量的稳定性。针对这一难题，提出了偏振无关的光调制器方案，例如申请号为201310382160.2的发明专利公开了偏振无关电光强度调制器，其结构包括：光束分束器、第二半波片、第一全反射镜、上下面镀金极的双折射电光陶瓷、第二全反射镜、第三半波片、第三全反射镜和可调高压源。
虽然以上方案都可以实现偏振无关的光信号调制，但器件尺寸都较大，不易集成。近十多年来，随着数据通信业务爆炸性增长，人们对带宽的需求越来越高，这就使得在未来的光通信中对光调制器小型化、集成化、低功耗化、高速化的发展成为必然趋势。
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，有着独特、优异的光电子学特性，被认为在未来是传统的半导体材料的理想代替者。石墨烯在室温下具有200,000cm2/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，意味着基于石墨烯的电子器件可以在超高速率下工作。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。另外，在工艺方面，石墨烯与传统的CMOS工艺兼容，易于集成，正是因为石墨烯具有这些优异的特性，所以石墨烯材料被认为在光电子器件方面有着潜在的重要应用。
目前基于石墨烯材料的光学调制器已经得到广泛的研究，大多都是基于传统的SOI工艺，且尺寸都在微米量级。在波导的表面铺设石墨烯层，将偏置电压作用于石墨烯薄片上，以改变石墨烯材料本身的费米能级来改变光波导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, et al.A graphene-based broadband optical modulator. Nature, 2011, Vol 474, p64-67和文献Gosciniak Jacek, Tan Dawn T H. Theoretical investigation of graphene-based photonic modulators. Scientific Reports, 2013, Vol 3）。但目前基于石墨烯材料的电光调制器都存在一个共同的缺陷，即都是偏振相关的，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，而对其他偏振方向的光波调制效果不明显，这限制了这种光调制器的使用范围。
正如上述现有的基于石墨烯电光调制器中存在的问题，都是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，解决了以往石墨烯光调制器对入射光波的偏振方向敏感的技术难题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，包括基底层，基底层上端面设置有第一光波导层和第二光波导层，所述第一光波导层的横截面为矩形结构，所述第一光波导层和第二光波导层之间从下往上依次设置有第一隔离介质层、第一石墨烯层、第二隔离介质层、第二石墨烯层及第三隔离介质层，所述第一隔离介质层、第一石墨烯层、第二隔离介质层、第二石墨烯层及第三隔离介质层均覆盖在第一光波导层的上表面和右侧面并形成直角弯折，所述第三隔离介质层的上端面和右侧面覆盖所述第二光波导层，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层均从第一光波导层的左侧面向外部分延伸形成延伸部，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的延伸部分别连接有第一电极和第二电极，且所述第一石墨烯层的延伸部与第一光波导层和基底层之间设置有第一绝缘层，所述第二石墨烯层的延伸部与第一光波导层和基底层之间设置有第二绝缘层。
作为本发明的第一个优化方案，所述第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层、第一绝缘层及第二绝缘层均由绝缘材料制成。
作为本发明的第一个优化方案的进一步优化，所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
作为本发明的第二个优化方案，所述第二隔离介质层的厚度为5nm—100nm。
作为本发明的第三个优化方案，所述第一光波导层和/或第二光波导层的材质为硅、锗、锗硅合金、氮化硅、III-V族半导体或II-IV族半导体中的任意一种。
作为本发明的第四个优化方案，所述第一电极和第二电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯中的任意一种或任意两种以上的合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的第一石墨烯层和第二石墨烯层相互隔离，并形成直角转折，构成具有水平和竖直放置的石墨烯层施加偏置电压，可以同时对TE和TM模的光吸收系数进行一致的动态调谐，从而实现对光波的偏振不敏感调制。
2、本发明相对于传统偏振无关的光波调制器件，具有尺寸更小并且可集成的技术优点。
3、本发明的电光调制器制备工艺上可与传统的SOI、CMOS工艺相兼容，且具有高调制速率、高消光比的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明光调制器三维结构示意图；
图2是本发明光调制器光波导中TE、TM模吸收系数随石墨烯化学势能变化的示意图；
图3是本发明光调制器光波导中TE、TM模归一化功率分别在“ON”和“OFF”状态时随着传输长度变化的曲线示意图；
图中的标记分别表示为：1、基底层；2、第一光波导层；3、第二光波导层；41、第一隔离介质层；42、第二隔离介质层；43、第三隔离介质层；51、第一石墨烯层；52、第二石墨烯层；6、第一绝缘层；7、第二绝缘层；8、第一电极；9、第二电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示，一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，包括基底层1，基底层1上端面设置有第一光波导层2和第二光波导层3，所述第一光波导层2的横截面为矩形结构，所述第一光波导层2和第二光波导层3之间从下往上依次设置有第一隔离介质层41、第一石墨烯层51、第二隔离介质层42、第二石墨烯层52及第三隔离介质层43，所述第一隔离介质层41、第一石墨烯层51、第二隔离介质层42、第二石墨烯层52及第三隔离介质层43均覆盖在第一光波导层2的上表面和右侧面并形成直角弯折，所述第三隔离介质层43的上端面和右侧面覆盖所述第二光波导层3，所述第一石墨烯层51和第二石墨烯层52均从第一光波导层2的左侧面向外部分延伸形成延伸部，所述第一石墨烯层51和第二石墨烯层52的延伸部分别连接有第一电极8和第二电极9，且所述第一石墨烯层51的延伸部与第一光波导层2和基底层1之间设置有第一绝缘层6，所述第二石墨烯层52的延伸部与第一光波导层2和基底层1之间设置有第二绝缘层7。
所述第一隔离介质层41、第二隔离介质层42、第三隔离介质层43、第一绝缘层6及第二绝缘层7均由绝缘材料制成。
所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
所述第二隔离介质层42的厚度为5nm—100nm。
所述第一光波导层2和/或第二光波导层3的材质为硅、锗、锗硅合金、氮化硅、III-V族半导体或II-IV族半导体中的任意一种。
所述第一电极8和第二电极9的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯中的任意一种或任意两种以上的合金。
本发明的光调制器工作原理为：外加电压施加在第一石墨烯层51和第二石墨烯层52上，通过改变偏置电压，动态的调谐石墨烯的介电常数，从而影响第一光波导层2和第二光波导层3中有效折射率的实部和虚部的变化，有效折射率的实部对应光相位的改变，有效折射率的虚部对应光的吸收。由于石墨烯材料是二维材料，只与其表面相切的光信号产生强烈的相互作用，因此，通过在第一光波导层2和第二光波导层3中引入水平和垂直放置的石墨烯层结构，可以同时对不同偏振方向的TE和TM模光吸收系数进行一致的动态调谐，从而实现对光波的偏振不敏感调制，其中，当偏置电压在某一特定值时，TE和TM模的光损耗都非常小，光信号可以通过，当偏置电压改变到另一个特定值时，TE和TM模的光损耗同时都变得较大，其光损耗值几乎达到一致，因此TE和TM模光同时被吸收掉，光信号无法通过，因而可以调谐偏置电压点，实现对光信号的偏振无关调制。
而石墨烯有着超高速的载流子迁移率，因而本实施例可以还实现高速率的光波调制。
下面，结合具体的实验数据对本发明作进一步说明：
如图2、图3所示，采用波长为1.55μm的光波，第一光波导层2横截面尺寸为0.22 μm×0.22μm，第二光波导层3的厚度为0.11μm，第一光波导层2和第二光波导层3的材质均为硅材料；基底层为SiO2 (光折射率为1.444)；第一石墨烯层51与第二石墨烯层52分别被第一隔离介质层41(厚度为5nm的hBN材料)、第二隔离介质层42 (厚度为10nm的hBN材料)、第三隔离介质层43 (厚度为5nm的hBN材料)隔离；第一绝缘层6和第二绝缘层7为hBN材料；第一电极8和第二电极9的材料是由在Pa金属上镀一层Au金属构成。
其中，SiO2材料是二氧化硅；hBN材料是六方氮化硼，光折射率为1.98；Pa金属是钯；Au金属是金。
图2是本发明实施例光调制器光波导中TE、TM模吸收系数随石墨烯化学势能变化的示意图，从图中明显可见，波导中TE模和TM模光衰减系数随着石墨烯化学势能的改变几乎有着一致的变化，即施加在石墨烯上的偏置电压对TE、TM模吸收系数有着几乎一致的调制效果，即到达偏振无关的光信号调制功能。在石墨烯化学势能为µ=0.51eV时达到峰值，此时光波导对光有着强烈的吸收效果，光信号无法通过，可以作为调制器的“OFF”状态；在µ被外加偏置电压作用变为0.6eV时，波导中TE模和TM模有效折射率的虚部值非常小，此时光波导对光的吸收非常弱，光信号可以通过，可以作为“ON”状态。
图3是本发明实施例光调制器光波导中TE、TM模在“ON”和“OFF”状态时，波导中TE、TM模归一化功率随着传输长度变化的曲线示意图，从图3中可以看到，TE、TM模归一化功率分别在“ON”和“OFF”状态时，其变化曲线几乎一致，即实现了偏振无关的调制。
通过仿真计算结果表明，10µm长度的光调制器对TE和TM的消光比分别为23.9 dB和23.54 dB，插入损耗分别为0.86 dB和0.89 dB，通常认为，调制器波导中TE和TM模光信号之间的响应差异值小于1dB即达到良好的偏振无关效果，本实施例的计算结果显示，本实施例光调制器TE和TM的消光比和插入损耗差异值均小于1dB，该结果表明本发明实现了对光波的偏振无关调制。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，包括基底层（1），其特征在于：基底层（1）上端面设置有第一光波导层（2）和第二光波导层（3），所述第一光波导层（2）的横截面为矩形结构，所述第一光波导层（2）和第二光波导层（3）之间从下往上依次设置有第一隔离介质层（41）、第一石墨烯层（51）、第二隔离介质层（42）、第二石墨烯层（52）及第三隔离介质层（43），所述第一隔离介质层（41）、第一石墨烯层（51）、第二隔离介质层（42）、第二石墨烯层（52）及第三隔离介质层（43）均覆盖在第一光波导层（2）的上表面和右侧面并形成直角弯折，所述第三隔离介质层（43）的上端面和右侧面覆盖所述第二光波导层（3），所述第一石墨烯层（51）和第二石墨烯层（52）均从第一光波导层（2）的左侧面向外部分延伸形成延伸部，所述第一石墨烯层（51）和第二石墨烯层（52）的延伸部分别连接有第一电极（8）和第二电极（9），且所述第一石墨烯层（51）的延伸部与第一光波导层（2）和基底层（1）之间设置有第一绝缘层（6），所述第二石墨烯层（52）的延伸部与第一光波导层（2）和基底层（1）之间设置有第二绝缘层（7）。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，其特征在于：所述第一隔离介质层（41）、第二隔离介质层（42）、第三隔离介质层（43）、第一绝缘层（6）及第二绝缘层（7）均由绝缘材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，其特征在于：所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，其特征在于：所述第二隔离介质层（42）的厚度为5nm—100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，其特征在于：所述第一光波导层（2）和/或第二光波导层（3）的材质为硅、锗、锗硅合金、氮化硅、III-V族半导体或II-IV族半导体中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯偏振无关的吸收型光调制器，其特征在于：所述第一电极（8）和第二电极（9）的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯中的任意一种或任意两种以上的合金。
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