CN105807454A - 一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，属于光通信领域中的中红外电光调制器，其目的在于提供一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，采用氟化物玻璃作为波导材料，有效提高该中红外电光调制器的调制速率。其技术方案为：包括衬底层，所述衬底层的上表面上开设有凹槽，所述凹槽内设置有第一光波导，所述第一光波导的上表面上由下往上依次层叠设置有第一隔离介质层、第一黑磷层、第二隔离介质层、第二黑磷层、第三隔离介质层，所述第三隔离介质层的上表面上设置有第二光波导，所述第一黑磷层从第一光波导的左侧延伸出并与第一电极连接，第二黑磷层从第一光波导的右侧延伸出并与第二电极连接。本发明适用于中红外电光调制器。

Description

一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器
技术领域
本发明属于光通信领域，涉及一种中红外电光调制器。
背景技术
光调制器作为光通信系统的基础和关键部件，一直是集成光学研究的热点。其功能是改变通过光调制器的光载波的强度、相位、偏振等特性，将电信号加载到光载波上。近年来，集成光学器件特别是硅基集成光电子器件的发展十分迅速，各种新型的光学器件不断被报道出来，其生产成本低，性能可靠性高，并且能够与电路系统相结合，形成多功能的光电混合模块和系统，将在通信、传感、军事、生物等众多领域得到广泛地应用，具有非常广阔的前景。
中红外波段是电磁波中一个重要的波段，其在传感、环境监测、生物医学应用、热成像等领域中有着十分重要的应用。基于这一工作波段的中红外材料在现代防御和光电对抗技术中起到了重要的作用。随着红外技术的不断发展，对中红外器件的综合性能也提出了更高的要求，例如，在工作波段具有高的光学质量、容易实现大尺寸高光学质量及复杂形状制备、低成本等。到目前为止，硅基光电子器件的研究大多数处于近红外波段，主要以1550nm为主，硅基中红外波长器件由于材料限制等原因，研究发展比较缓慢。然而中红外硅基光电子器件有着诸多优点：远大于近红外波段的等离子色散效应，双光子吸收比近红外波段大大减弱，工艺尺寸更大从而制作简单、成本降低，更多近红外波段的难以制作的结构。因此，研究和制作硅基中红外器件是一个非常重要和有意义的课题，而中红外调制器即是中红外应用中重要的器件，中红外调制器能对中红外波的振幅或者相位进行调制，是中红外无线通讯、高灵敏分子检测等领域重要而必不可少的元件。
现有技术，调制器所采用的波导材料通常为铌酸锂材料，铌酸锂材料在无需其他辅助材料时虽能对部分光进行调制。但是，当使用铌酸锂材料制成的调制器对中红外光进行调制时，中红外光无法透过铌酸锂材料，因而无法将铌酸锂材料制成的调制器应用于中红外光的调制。
石墨烯是已知材料中最薄的、最牢固坚硬的、结构也非常稳定的。作为一种网状晶格结构的二维碳原子单层，它不仅具有优良的导电性能，在室温下传递电子的速度比已知导体都快，而且呈现出与众不同的光学特性。石墨烯拥有宽的光谱吸收带宽及超高的载流子迁移率，这些特性使得其在光调制器上可以充分发挥其优势。为此，申请号为201610151555.5的发明专利也公开了一种基于石墨烯-硫系玻璃微环谐振腔的中红外电光调制器，其包括基底层，直光波导和微环谐振腔波导都埋入基底层，微环谐振腔波导的一段上表面铺设有第一石墨烯层、第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层间铺设有隔离层，并分别从微环谐振腔波导两侧延伸出来分别连接第一电极和第二电极。该中红外电光调制器的直光波导和微环谐振腔波导采用硫系玻璃作为波导材料，硫系玻璃具有良好的非晶态特性和热稳定性，且对中红外光谱具有较宽且平坦的透过窗口；通过外加偏置电压调谐石墨烯对光的吸收来调控直光波导与微环谐振腔波导之间的光耦合，实现对中红外光信号的调制。且该中红外电光调制器具有较高的调制深度、高调制速率、且与CMOS工艺兼容的优点。
发明内容
但是，由于铌酸锂材料无法应用于中红外光的调制，而硫系玻璃—石墨烯虽能适用于中红外光的调制，但是采用硫系玻璃—石墨烯的调制器对中红外光的调制，石墨烯没有带隙，与有源器件兼容性问题较差。。
本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，有效提高该中红外电光调制器的调制速率，与有源光器件兼容性较好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，包括衬底层，所述衬底层的上表面上开设有凹槽，所述凹槽内设置有第一光波导，所述第一光波导的上表面上由下往上依次层叠设置有第一隔离介质层、第一黑磷层、第二隔离介质层、第二黑磷层、第三隔离介质层，所述第三隔离介质层的上表面上设置有第二光波导，所述第一黑磷层从第一光波导的左侧延伸出并与第一电极连接，第二黑磷层从第一光波导的右侧延伸出并与第二电极连接；所述第一光波导和第二光波导的材料均为氟化物玻璃。
其中，所述氟化物玻璃为氟锆酸盐玻璃或氟铝酸盐玻璃。
其中，所述第一黑磷层和第二黑磷层的材料均为钝化黑磷纳米带。
其中，所述钝化黑磷纳米带为氢饱和钝化黑磷纳米带或氟饱和钝化黑磷纳米带。
其中，所述第一隔离介质层、第二隔离介质层和第三隔离介质层的材料均为绝缘材料。
其中，所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
其中，所述第一电极和第二电极的材料为金、银铂或铜。
其中，所述衬底层的上表面上的凹槽的深度小于第一光波导的厚度，所述第一光波导放置于衬底层的凹槽内后第一光波导上表面高出衬底层的上表面。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，该调制器采用氟化物玻璃作为波导材料，氟化物玻璃的使用可使中红外电光调制器具有超低的光损耗，插入损耗小，且具有较宽且平坦的中红外光谱透过窗口；该中红外电光调制器还层叠设置有两层黑磷层，黑磷是一种单层蜂窝状晶格结构的二维磷原子层，它具有非常好的半导体性质，有非常高的漏电流调制率(是石墨烯的10000倍)，且具有饱和吸收特性；并且黑磷具有一个0.3eV的半导体带隙，相当于4.1μm的光子波长，且具有宽光谱吸收，黑磷具有良好的电子迁移率(～1000cm2/Vs)，从而使该中红外电光调制器可以具有很高的调制速率，且与传统CMOS工艺兼容，中红外电光调制器的制造方便、快捷；此外，传统的铌酸锂调制器因为无法透过中红外波段的光，所以很难进行中红外光调制，该中红外电光调制器可以克服传统调制器很难进行中红外光调制的缺点，而且可以大大缩小调制器的体积，有利于光学器件的集成。
2、本发明提供的基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，本发明提供的基于黑磷硫系玻璃光波导中红外调制器，使用钝化的黑磷纳米带使其性质更容易被外加电场调制，从而提高中红外电光调制器的调制速率，此外，黑磷为直接带隙材料与有源光器件兼容性较好。
3、本发明提供的基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，衬底层的上表面上的凹槽的深度小于第一光波导的厚度，因而第一光波导放置于衬底层的凹槽内后第一光波导上表面高出衬底层的上表面；由于第一光波导上表面高出衬底层的上表面，从而使得第一隔离介质层、第一黑磷层、第二隔离介质层、第二黑磷层、第三隔离介质层之间能够有效接触，上层物质能够覆盖住下层物质，从而提高中红外电光调制器的调制速率。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明中氢饱和钝化模式下两类不同结构的黑磷纳米带的带隙随电场变化示意图；
图4为本发明中氟锆酸盐玻璃光纤在不同波长下的透过率；
其中，附图标记为：1—衬底层、2—第一光波导、3—第一隔离介质层、4—第一黑磷层、5—第二隔离介质层、6—第二黑磷层、7—第三隔离介质层、8—第二光波导、9—第一电极、10—第二电极。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，该中红外电光调制器包括衬底层1，该衬底层1可选用半导体氧化物SiO2材料制成，该衬底层1的折射率为3.47。该衬底层1的上表面的中部位置开设有凹槽，该衬底层1的凹槽内设置有第一光波导2。为了使衬底层1上的其余结构能够有效接触并相互覆盖，因而将第一光波导2的厚度设置成大于衬底层1上的凹槽的深度，使第一光波导2的上表面高出衬底层1的上表面。该第一光波导2的宽度为0.4um、高度为0.17um。该第一光波导2的上表面上铺设有第一隔离介质层3，该第一隔离介质层3的两端向外延伸并覆盖住衬底层1的上表面。该第一隔离介质层3上铺设有第一黑磷层4，该第一黑磷层4从第一光波导2的左侧延伸出并覆盖住衬底层1左侧的上表面区域，该第一黑磷层4的右端覆盖住第一光波导2的最右端区域，使得第一黑磷层4至少覆盖住第一隔离介质层3上位于衬底层1左侧的上表面和第一光波导2上方的区域。该第一黑磷层4上的左侧设置有第一电极9，该第一电极9与第一黑磷层4电连接。该第一黑磷层4上铺设有第二隔离介质层5，该第二隔离介质层5至少覆盖住第一黑磷层4上位于第一光波导2上方的区域。该第二隔离介质层5上铺设有第二黑磷层6，该第二黑磷层6从第一光波导2的右侧延伸出并覆盖住衬底层1右侧的上表面区域，该第二黑磷层6的左端覆盖住第一光波导2的最左端区域，使得第二黑磷层6至少覆盖住第二隔离介质层5上位于衬底层1右侧的上表面和第一光波导2上方的区域。该第二黑磷层6上的右侧设置有第二电极10，该第二电极10与第二黑磷层6电连接。该第二黑磷层6上铺设有第三隔离介质层7，该第三隔离介质层7至少覆盖住第二黑磷层6上位于第一光波导2上方的区域。该第三隔离介质层7的上表面上设置有第二光波导8，该第二光波导8位于第一光波导2的正上方，且该第二光波导8的宽度为0.4114μm、高度为0.17μm。此外，该第一光波导2和第二光波导8的材料均为氟化物玻璃，其中氟化物玻璃可以为氟锆酸盐玻璃或氟铝酸盐玻璃，该氟化物玻璃的光折射率为2。第一黑磷层4和第二黑磷层6的材料均为钝化黑磷纳米带，其中钝化黑磷纳米带可以为氢饱和钝化黑磷纳米带或氟饱和钝化黑磷纳米带，且第一黑磷层4和第二黑磷层6的重叠部分的宽度为0.6um。第一隔离介质层3、第二隔离介质层5和第三隔离介质层7的材料均为绝缘材料，其中该绝缘材料可以为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物，且第一隔离介质层3、第三隔离介质层7采用5至12nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料，第二隔离介质层5采用5至65nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料，该hBN材料的折射率为1.98。实验时，第一隔离介质层、第三隔离介质层采用5nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料，第二隔离介质层采用10nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料。第一电极9和第二电极10的材料为金、银铂或铜。
氟化物玻璃的使用使本发明具有超低的光损耗，插入损耗小，且具有较宽且平坦的中红外光谱透过窗口。黑磷材料具有很高的电子迁移率，这明基于黑磷的电光调制器可以具有很高的调制速率。
本发明的工作原理为：中红外电光调制器工作时，偏置电压通过电极作用在黑磷层上，波导中的光场与铺设在隔离介质层上的黑磷相互作用，增强了黑磷对光的吸收；黑磷覆盖区域越大，黑磷对光场的作用就越充分；电调制信号通过电极施加到黑磷层上，产生偏置电场，随着电场的周期性变化，其带隙也会出现周期性的变化，因为带隙的变化会改变黑磷对特定波长光的吸收特性，进而控制特定中红外波长的光传播与截止，进而实现光的调制。
图3是氢饱和下两类不同结构的黑磷纳米带在钝化模式下带隙随电场变化的示意图，可以看出随着电场的增强，其带隙能迅速下降。
图4是氟锆酸盐玻璃在不同波长下的透过率，可以看出氟锆酸盐玻璃光纤在中红外具有平坦的透射窗口，非常适用于中红外光电子器件。
实施例1
一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，包括衬底层1，所述衬底层1的上表面上开设有凹槽，所述凹槽内设置有第一光波导2，所述第一光波导2的上表面上由下往上依次层叠设置有第一隔离介质层3、第一黑磷层4、第二隔离介质层5、第二黑磷层6、第三隔离介质层7，所述第三隔离介质层7的上表面上设置有第二光波导8，所述第一黑磷层4从第一光波导2的左侧延伸出并与第一电极9连接，第二黑磷层6从第一光波导2的右侧延伸出并与第二电极10连接；所述第一光波导2和第二光波导8的材料均为氟化物玻璃。
实施例2
在实施例一的基础上，所述氟化物玻璃为氟锆酸盐玻璃或氟铝酸盐玻璃。
实施例3
在实施例一或实施例二的基础上，所述第一黑磷层4和第二黑磷层6的材料均为钝化黑磷纳米带。
作为优选，所述钝化黑磷纳米带为氢饱和钝化黑磷纳米带或氟饱和钝化黑磷纳米带。
实施例4
在上述实施例的基础上，所述第一隔离介质层3、第二隔离介质层5和第三隔离介质层7的材料均为绝缘材料。
作为优选，所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
实施例5
在上述实施例的基础上，所述第一电极9和第二电极10的材料为金、银铂或铜。
实施例6
在上述实施例的基础上，所述衬底层1的上表面上的凹槽的深度小于第一光波导2的厚度，所述第一光波导2放置于衬底层1的凹槽内后第一光波导2上表面高出衬底层1的上表面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，包括衬底层（1），其特征在于：所述衬底层（1）的上表面上开设有凹槽，所述凹槽内设置有第一光波导（2），所述第一光波导（2）的上表面上由下往上依次层叠设置有第一隔离介质层（3）、第一黑磷层（4）、第二隔离介质层（5）、第二黑磷层（6）、第三隔离介质层（7），所述第三隔离介质层（7）的上表面上设置有第二光波导（8），所述第一黑磷层（4）从第一光波导（2）的左侧延伸出并与第一电极（9）连接，第二黑磷层（6）从第一光波导（2）的右侧延伸出并与第二电极（10）连接；所述第一光波导（2）和第二光波导（8）的材料均为氟化物玻璃。
2.如权利要求1所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，其特征在于：所述氟化物玻璃为氟锆酸盐玻璃或氟铝酸盐玻璃。
3.如权利要求1所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，其特征在于：所述第一黑磷层（4）和第二黑磷层（6）的材料均为钝化黑磷纳米带。
4.如权利要求3所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，其特征在于：所述钝化黑磷纳米带为氢饱和钝化黑磷纳米带或氟饱和钝化黑磷纳米带。
5.如权利要求1所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，其特征在于：所述第一隔离介质层（3）、第二隔离介质层（5）和第三隔离介质层（7）的材料均为绝缘材料。
6.如权利要求5所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，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。
7.如权利要求1所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，其特征在于：所述第一电极（9）和第二电极（10）的材料为金、银铂或铜。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种基于黑磷氟化物波导的中红外电光调制器，其特征在于：所述衬底层（1）的上表面上的凹槽的深度小于第一光波导（2）的厚度，所述第一光波导（2）放置于衬底层（1）的凹槽内后第一光波导（2）上表面高出衬底层（1）的上表面。
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