CN105849627B - 一种基于石墨烯的电吸收光学调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于石墨烯的电吸收光学调制器及其制造方法。该光学调制器制作在衬底(10)上，包括基于石墨烯的长程SPP波导结构、第一电极(301)、第二电极(302)、光输入端和光输出端；其中基于石墨烯的长程SPP波导结构包括依次形成于衬底(10)上的第一高折射率材料层(201)、第一石墨烯层(202)、第一低折射率材料层(203)、金属薄膜层(204)、第二低折射率材料层(205)、第二石墨烯层(206)、第二高折射率材料层(207)。该光学调制器基于长程SPP波导和电介质加载的SPP波导两种波导结构，因此兼且调制深度大，插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强的优点。该基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，工艺简单，适于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯应用及光通信技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯的电吸收光学调制器及其制备方法。
背景技术
在光电子集成电路中，光学调制器是最重要的集成器件之一，它将电信号转换成高码率的光数据。基于石墨烯的光学调制器由于具有光和石墨烯的电光相互作用强；带宽很大；操作速度高，对环境温度不敏感，能与目前CMOS工艺兼容等优点备受人们的关注和研究。
然而，目前基于石墨烯的光学调制器仍然存在调制深度小，插入损耗大，品质因子低等问题，不能同时兼具调制深度大、插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强的优点，因此在高集成芯片上光互联上不占优势。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种基于石墨烯的电吸收光学调制器，用以解决现有技术中基于石墨烯的光学调制器不能同时兼具调制深度大、插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强等高性能的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的电吸收光学调制器，该光学调制器制作在衬底上，包括形成于所述衬底上的基于石墨烯的长程SPP波导结构、以及第一电极、第二电极、光输入端和光输出端；
所述基于石墨烯的长程SPP波导结构为多层结构，包括依次形成于所述衬底上的第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层；所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的材质为折射率2.5-4的高折射率材料，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的材质为折射率1.0-2.2的低折射率材料，所述金属薄膜层的材质为金、银、铝或铜；
所述基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在所述第一方向上具有相对设置的两端，其中一端与所述光输入端相连接，另一端与所述光输出端相连接，在所述第二方向上，所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层包括突出于所述基于石墨烯的长程SPP波导结构的延伸端，所述第一电极形成于所述第一石墨烯层的延伸端上，所述第二电极形成于所述第二石墨烯层的延伸端上。
在本发明实施方式中，所述高折射率材料为砷化镓或硅。
在本发明实施方式中，所述低折射率材料为二氧化硅或氮化硅。
在本发明实施方式中，所述第一高折射率材料层的厚度为50-500nm，所述第二高折射率材料层的厚度为50-500nm。
在本发明实施方式中，所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的厚度相同。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层中的石墨烯为单层或者多层石墨烯。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层的厚度为0.35-3.5nm，所述第二石墨烯层的厚度为0.35-3.5nm。
在本发明实施方式中，所述第一低折射率材料层的厚度为1-15nm，所述第二低折射率材料层的厚度为1-15nm。
在本发明实施方式中，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的厚度相同。
在本发明实施方式中，所述金属薄膜层的厚度为5-80nm。
在本发明实施方式中，所述第一高折射率材料层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层和第二高折射率材料层在所述第二方向上的宽度为80-800nm。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的宽度为400-1800nm。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层上，所述第一低折射率材料层与所述第一电极之间的距离为500～1000nm，在所述第二石墨烯层上，所述第二高折射率材料层与所述第二电极之间的距离为500～1000nm。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层的延伸端形成于所述衬底上，所述第二石墨烯层的延伸端形成于所述衬底上。
在本发明实施方式中，在所述第二高折射率材料层上，进一步包括覆盖所述基于石墨烯的长程SPP波导结构的二氧化硅层。
本发明实施例第一方面提供的基于石墨烯的电吸收光学调制器，同时兼具调制深度大，插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强的优点，这是由于本发明光学调制器中基于石墨烯的长程SPP波导结构包括两种SPP波导结构：长程SPP波导和电介质加载的SPP波导，利用长程SPP波导可以实现较小的插入损耗，利用电介质加载的SPP波导可以实现较强的光场模式分布限制，使光场局域在一个很窄的区域里，这样在该区域插入石墨烯后，就可以实现最大程度对光的吸收。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，包括以下步骤：
取衬底，在所述衬底上沉积制备第一高折射率材料层，随后转移一石墨烯薄膜在所述第一高折射率材料层上形成第一石墨烯层，在所述第一石墨烯层上沉积制备第一低折射率材料层，所述第一石墨烯层包括突出于所述第一低折射率材料层一侧的延伸端，在所述第一石墨烯层的延伸端制备导电金属薄膜形成第一电极；
在所述第一低折射率材料层上制备一层金属薄膜层，然后在所述金属薄膜层上沉积制备第二低折射率材料层，再转移一石墨烯薄膜在所述第二低折射率材料层上形成第二石墨烯层，在所述第二石墨烯层上沉积制备第二高折射率材料层，所述第二石墨烯层包括突出于所述第二高折射率材料层一侧的延伸端，在所述第二石墨烯层的延伸端沉积导电金属薄膜形成第二电极；
所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的材质为折射率2.5-4的高折射率材料，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的材质为折射率1.0-2.2的低折射率材料，所述金属薄膜层的材质为金、银、铝或铜；
所述第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层构成基于石墨烯的长程SPP波导结构，所述基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在所述第一方向上具有相对设置的两端，将其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，得到基于石墨烯的电吸收光学调制器。
本发明实施例第二方面提供的一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，工艺简单，适于规模化生产。
综上，本发明实施例第一方面提供的基于石墨烯的电吸收光学调制器，同时兼具调制深度大，插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强的优点，这是由于本发明光学调制器中基于石墨烯的长程SPP波导结构包括两种SPP波导结构：长程SPP波导和电介质加载的SPP波导，利用长程SPP波导可以实现较小的插入损耗，利用电介质加载的SPP波导可以实现较强的光场模式分布限制，使光场局域在一个很窄的区域里，这样在该区域插入石墨烯后，就可以实现最大程度对光的吸收。本发明实施例第二方面提供的一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，工艺简单，适于规模化生产。
本发明实施例的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
图1为本发明实施例基于石墨烯的电吸收光学调制器沿第二方向剖取的截面图；
图2为本发明实施例一的基于石墨烯的电吸收光学调制器的仿真结果-模场分布图；
图3为本发明实施例二的基于石墨烯的电吸收光学调制器的仿真结果-模场分布图。
具体实施方式
以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。
本发明实施例第一方面提供了一种基于石墨烯的电吸收光学调制器，用以解决现有技术中基于石墨烯的光学调制器不能同时兼具调制深度大、插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强等高性能的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的电吸收光学调制器，该光学调制器制作在衬底上，包括：形成于所述衬底上的基于石墨烯的长程SPP波导结构、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端；
所述基于石墨烯的长程SPP波导结构为多层结构，包括依次形成于所述衬底上的第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层；所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的材质为折射率2.5-4的高折射率材料，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的材质为折射率1.0-2.2的低折射率材料，所述金属薄膜层的材质为金、银、铝或铜；
所述基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在所述第一方向上具有相对设置的两端，其中一端与所述光输入端相连接，另一端与所述光输出端相连接，在所述第二方向上，所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层包括突出于所述基于石墨烯的长程SPP波导结构的延伸端，所述第一电极形成于所述第一石墨烯层的延伸端上，所述第二电极形成于所述第二石墨烯层的延伸端上。
在本发明实施方式中，所述高折射率材料为砷化镓或硅。
在本发明实施方式中，所述低折射率材料为二氧化硅或氮化硅。
在本发明实施方式中，所述第一高折射率材料层的厚度为50-500nm，所述第二高折射率材料层的厚度为50-500nm。
在本发明实施方式中，所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的厚度相同。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层中的石墨烯为单层或者多层石墨烯。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层的厚度为0.35-3.5nm，所述第二石墨烯层的厚度为0.35-3.5nm。
在本发明实施方式中，所述第一低折射率材料层的厚度为1-15nm，所述第二低折射率材料层的厚度为1-15nm。在本发明的某一实施方式中，所述第一低折射率材料层的厚度为2-12nm。
在本发明实施方式中，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的厚度相同。
在本发明实施方式中，所述金属薄膜层的厚度为5-80nm。在本发明的某一实施方式中，所述金属薄膜层的厚度为10-60nm。
当第一高折射率材料层与第二高折射率材料层厚度相同，第一低折射率材料层与第二低折射率材料层的厚度也相同时，本发明基于石墨烯的长程SPP波导结构为严格对称结构，此时调制器性能最佳。但是，本发明基于石墨烯的长程SPP波导结构为非严格对称结构时，依然具有优良性能。
本发明基于石墨烯的电吸收光学调制器在尺寸上没有严格要求，可根据实际需要制备，尺寸大了对光场的限制作用会越强，但会带来体积上的增加，不利于片上的高度集成。
在本发明实施方式中，所述第一高折射率材料层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层和第二高折射率材料层在所述第二方向上的宽度为80-800nm。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的宽度为400-1800nm。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层上，所述第一低折射率材料层与所述第一电极之间的距离为500～1000nm，在所述第二石墨烯层上，所述第二高折射率材料层与所述第二电极之间的距离为500～1000nm。保持这样的距离(500～1000nm)是为了使电极的存在不影响波导里光场的分布。
在本发明实施方式中，所述第一石墨烯层的延伸端形成于所述衬底上，所述第二石墨烯层的延伸端形成于所述衬底上。
在本发明实施方式中，在所述第二高折射率材料层上，进一步包括覆盖所述基于石墨烯的长程SPP波导结构的二氧化硅层。此时，本发明基于石墨烯的电吸收光学调制器为埋入式结构，二氧化硅层能够保护内部的波导结构。
在本发明实施方式中，所述衬底为绝缘材料，可以为二氧化硅衬底。
本发明提供的基于石墨烯的电吸收光学调制器，具有新颖结构的长程电介质加载的表面等离子体极化硅基光波导，这种结构是基于两种已知SPP波导，一种是长程表面等离子体极化波导，具有毫米级的传播距离，但对光的限制作用却非常的弱，另一种是电介质加载的SPP波导，具有很好的模式限制用，但光衰减的很厉害，所以传播距离非常短。本发明将这两种结构结合可以同时实现对光的很好限制作用和模式传播衰减小的性能，原因是利用长程SPP波导可以实现较小的插入损耗，利用电介质加载的SPP波导可以实现较强的光场模式分布限制，使光场局域在一个很窄的区域里，这样在该区域插入石墨烯后，就可以实现最大程度对光的吸收。具体地，本发明光学调制器采用了高折射率-低折射率-金属-低折射率-高折射率结构，并把石墨烯插在高低折射率分界面，以实现最大程度对光的吸收，本发明光学调制器由于采用了高低折射率、金属结构，所以会在低折射率区域形成SPP，把光场很好的局域在此处，狭缝对光场的限制作用非常强。
本发明实施例基于石墨烯的电吸收光学调制器的工作原理：通过改变加在金属电极上的电压，来调节石墨烯的电导率，继而改变石墨烯对光的吸收强度；当所加电压处于低电压时，石墨烯对光的吸收强度大，这时候光的通过率非常低，实现了光的“关”，当所加电压较大时，石墨烯对光的吸收作用较弱，则光大部分是通过，实现了光的“开”，继而实现电信号转化为光信号的信息加载。
本发明实施例第一方面提供的基于石墨烯的电吸收光学调制器，调制深度大，插入损耗小，品质因子高，对光场的限制作用强，这是由于本发明光学调制器中基于石墨烯的长程SPP波导结构包括两种SPP波导结构：长程SPP波导和电介质加载的SPP波导，利用长程SPP波导可以实现较小的插入损耗，利用电介质加载的SPP波导可以实现较强的光场模式分布限制，使光场局域在一个很窄的区域里，这样在该区域插入石墨烯后，就可以实现最大程度对光的吸收。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，包括以下步骤：
取衬底，在所述衬底上沉积制备第一高折射率材料层，随后转移一石墨烯薄膜在所述第一高折射率材料层上形成第一石墨烯层，在所述第一石墨烯层上沉积制备第一低折射率材料层，所述第一石墨烯层包括突出于所述第一低折射率材料层一侧的延伸端，在所述第一石墨烯层的延伸端制备导电金属薄膜形成第一电极；
在所述第一低折射率材料层上制备一层金属薄膜层，然后在所述金属薄膜层上沉积制备第二低折射率材料层，再转移一石墨烯薄膜在所述第二低折射率材料层上形成第二石墨烯层，在所述第二石墨烯层上沉积制备第二高折射率材料层，所述第二石墨烯层包括突出于所述第二高折射率材料层一侧的延伸端，在所述第二石墨烯层的延伸端沉积导电金属薄膜形成第二电极；
所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的材质为折射率2.5-4的高折射率材料，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的材质为折射率1.0-2.2的低折射率材料，所述金属薄膜层的材质为金、银、铝或铜；
所述第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层构成基于石墨烯的长程SPP波导结构，所述基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在所述第一方向上具有相对设置的两端，将其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，得到基于石墨烯的电吸收光学调制器。
所述导电金属薄膜可以为金、铝和/或铂。
本发明实施例第二方面提供的一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，工艺简单，适于规模化生产。
下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。本发明实施例不限定于以下的具体实施例。在不变主权利的范围内，可以适当的进行变更实施。
一种基于石墨烯的电吸收光学调制器，该光学调制器制作在衬底10上，包括：形成于衬底10上的基于石墨烯的长程SPP波导结构、第一电极301、第二电极302、光输入端和光输出端；
其中，基于石墨烯的长程SPP波导结构为多层结构，包括依次形成于衬底10上的第一高折射率材料层201、第一石墨烯层202、第一低折射率材料层203、金属薄膜层204、第二低折射率材料层205、第二石墨烯层206和第二高折射率材料层207；基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于衬底10且互相垂直的第一方向(I)和第二方向(II)，在第一方向(I)上具有相对设置的两端，其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，在第二方向(II)上，第一石墨烯层202与第二石墨烯层206包括向相反方向突出于基于石墨烯的长程SPP波导结构的延伸端，第一电极301形成于第一石墨烯层202的延伸端上，第二电极302形成于第二石墨烯层206的延伸端上，在本实施方式中，第一石墨烯层202的延伸端形成于衬底10上，第二石墨烯层206的延伸端形成于衬底10上。
实施例一
上述基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，包括以下步骤：
取二氧化硅衬底，在该衬底上采用原子层沉积技术制备厚度为200nm，宽度(第二方向上的宽度)为200nm的砷化镓(GaAs)层，即得到第一高折射率材料层，随后转移一厚度为0.7nm的石墨烯薄膜(Graphene)在砷化镓层上形成第一石墨烯层，在第一石墨烯层上采用原子层沉积技术制备厚度为2nm，宽度为200nm的二氧化硅层，即得到第一低折射率材料层，所述第一石墨烯层包括突出于第一低折射率材料层一侧且形成于衬底上的延伸端，采用磁控溅射的方法在第一石墨烯层的延伸端制备金属铂薄膜，再在金属铂薄膜上制备金薄膜形成第一电极；第一低折射率材料层与第一电极之间的距离为500nm；
采用磁控溅射的方法在所述第一低折射率材料层上制备一层厚度为20nm，宽度为200nm的金属银(Ag)薄膜层，然后在金属银薄膜层上采用原子层沉积技术制备厚度为2nm，宽度为200nm的二氧化硅(SiO2)层，即得到第二低折射率材料层，再转移一厚度为0.7nm的石墨烯薄膜在第二低折射率材料层上形成第二石墨烯层，在第二石墨烯层上采用原子层沉积技术制备厚度为200nm，宽度为200nm的砷化镓层，即得到第二高折射率材料层，所述第二石墨烯层包括突出于第二高折射率材料层一侧且形成于衬底上的延伸端，采用磁控溅射的方法在第二石墨烯层的延伸端制备金属铂薄膜，再在金属铂薄膜上制备金薄膜形成第二电极；第二高折射率材料层与第二电极之间的距离为500nm；
第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层构成基于石墨烯的长程SPP波导结构，基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在第一方向上具有相对设置的两端，将其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，得到基于石墨烯的电吸收光学调制器。
本发明实施例的基于石墨烯的光学调制器，在高折射率材料和金属薄膜之间，首次加入了低折射率材料；由于电子在金属表面的震荡，将光限制在低折射率材料区域，所以会形成SPP，使得光限制在尺寸较小的低折射率材料区域(如图1所示的狭缝S中)，使得光场的最强部分和石墨烯充分接触，达到很好的调制效果。由于光很好的限制在高折射率材料和金属之间，即低折射率材料二氧化硅里，若把石墨烯插在高低折射率的分界面处，对石墨烯加电，且调节到某一适当的电压，则可以实现对光的很好的吸收，继而实现较大的调制深度；调节到另一适当电压，可以让光通过，且插损低，这样就实现了对光的振幅的调制。即可以解决在实现调制深度大的同时也可以实现插入损耗较小的问题。
实施例二
一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，包括以下步骤：
取SOI衬底，利用ICP刻蚀技术去掉多余的Si，得到具有厚度为200nm，宽度为200nm的单质硅层，即第一高折射率材料层，随后转移一厚度为0.7nm的石墨烯薄膜在单质硅层上形成第一石墨烯层，在第一石墨烯层上采用原子层沉积技术制备厚度为2nm，宽度为200nm的二氧化硅层，即得到第一低折射率材料层，所述第一石墨烯层包括突出于第一低折射率材料层一侧且形成于衬底上的延伸端，采用磁控溅射的方法在第一石墨烯层的延伸端制备金属铂薄膜形成第一电极；第一低折射率材料层与第一电极之间的距离为500nm；
采用磁控溅射的方法在所述第一低折射率材料层上制备一层厚度为20nm，宽度为200nm的金属银薄膜层，然后在金属银薄膜层上采用原子层沉积技术制备厚度为2nm，宽度为200nm的二氧化硅层，即得到第二低折射率材料层，再转移一厚度为0.7nm的石墨烯薄膜在第二低折射率材料层上形成第二石墨烯层，在第二石墨烯层上采用原子层沉积技术制备厚度为200nm，宽度为200nm的单质硅层，即得到第二高折射率材料层，所述第二石墨烯层包括突出于第二高折射率材料层一侧且形成于衬底上的延伸端，采用磁控溅射的方法在第二石墨烯层的延伸端制备金属铂薄膜形成第二电极；第二高折射率材料层与第二电极之间的距离为500nm；
第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层构成基于石墨烯的长程SPP波导结构，基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在第一方向上具有相对设置的两端，将其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，得到基于石墨烯的电吸收光学调制器。
效果实施例
为有力支持本发明实施例的有益效果，提供效果实施例如下，用以评测本发明实施例提供的产品的性能。
使用COMSOL-射频模块-混合模波对实施例一的基于石墨烯的电吸收光学调制器进行仿真，并给出了两组有代表性的化学势，分别为μ＝0.512ev，μ＝0.405ev，其对应的模式分布如图2中(a)、(c)所示，以实现对光的调制。
仿真得到如下的结果：
当μ＝0.512ev时，调制器处于关闭状态，由仿真结果得TM模式的有效模数为：3.16774+0.313423i，利用传播长度L和有效模数虚部k之间的关系式求出L＝0.39374μm，由此得到调制深度约为：MD＝11.251dB/μm。
当μ＝0.405ev时，调制器处于导通状态，由仿真结果得TM模式的有效模数为：2.27758+9.531512×10-4i，利用传播长度L和有效模数虚部k之间的关系式求出L＝162.6185μm，由此得到调制深度约为：0.034dB/μm，即插损IL＝0.034dB/μm。
图2中，(b)是(a)的中间区域基于石墨烯的长程SPP波导结构的放大图，这是仿真结果图，通过和装置参数图(图1)对比可知具体部分的材料及其SPP光场分布，由图2可知光场很好的限制在低折射率材料二氧化硅里，即局域在狭缝S中，模场局域性非常好。
由品质因子定义为：消光比/插损(MD/IL)，得品质因子330。同时算得该参数下的带宽～15THz。
使用COMSOL-射频模块-混合模波对实施例二的基于石墨烯的电吸收光学调制器进行仿真，并给出了两组有代表性的化学势，分别为μ＝0.512ev，μ＝0.405ev，其对应的模式分布如图3中(a)、(c)所示，以实现对光的调制。
仿真得到如下的结果：
当μ＝0.512ev(应该为0.512eV)时，调制器处于关闭状态，由仿真结果得TM模式的有效模数为：3.127246+0.302853i，利用传播长度L和有效模数虚部k之间的关系式求出调制深度约为：MD＝10.6634dB/μm。
当μ＝0.405ev时，调制器处于导通状态，由仿真结果得TM模式的有效模数为：2.249087+9.232964×10-4i，利用传播长度L和有效模数虚部k之间的关系式求出调制深度约为：0.0325dB/μm，即插损IL＝0.0325dB/μm。
图3中，(b)是(a)的中间区域放大图，通过和装置参数图(图1)对比可知具体部分的材料及其SPP光场分布，图3(b)中201’为第一高折射率材料层、204’为金属薄膜层、205’为第二低折射率材料层、206’为第二石墨烯层，由图3可知光场很好的限制在低折射率材料二氧化硅里，即局域在狭缝S中，模场局域性非常好。
由品质因子定义为：消光比/插损(MD/IL)，得品质因子330。同时算得该参数下的带宽～15THz。
Claims (16)
1.一种基于石墨烯的电吸收光学调制器，该光学调制器制作在衬底上，其特征在于，包括形成于所述衬底上的基于石墨烯的长程SPP波导结构、以及第一电极、第二电极、光输入端和光输出端；
所述基于石墨烯的长程SPP波导结构为多层结构，包括依次形成于所述衬底上的第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层；所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的材质为折射率2.5-4的高折射率材料，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的材质为折射率1.0-2.2的低折射率材料，所述金属薄膜层的材质为金、银、铝或铜；
所述基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在所述第一方向上具有相对设置的两端，其中一端与所述光输入端相连接，另一端与所述光输出端相连接，在所述第二方向上，所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层包括突出于所述基于石墨烯的长程SPP波导结构的延伸端，所述第一电极形成于所述第一石墨烯层的延伸端上，所述第二电极形成于所述第二石墨烯层的延伸端上。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述高折射率材料为砷化镓或硅。
3.如权利要求1～2任一项所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述低折射率材料为二氧化硅或氮化硅。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层的厚度为50-500nm，所述第二高折射率材料层的厚度为50-500nm。
5.如权利要求1或4所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的厚度相同。
6.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层中的石墨烯为单层或者多层石墨烯。
7.如权利要求1或6所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层的厚度为0.35-3.5nm，所述第二石墨烯层的厚度为0.35-3.5nm。
8.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一低折射率材料层的厚度为1-15nm，所述第二低折射率材料层的厚度为1-15nm。
9.如权利要求1或8所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的厚度相同。
10.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述金属薄膜层的厚度为5-80nm。
11.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层和第二高折射率材料层在所述第二方向上的宽度为80-800nm。
12.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的宽度为400-1800nm。
13.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层上，所述第一低折射率材料层与所述第一电极之间的距离为500～1000nm,所述第二石墨烯层上，所述第二高折射率材料层与所述第二电极之间的距离为500～1000nm。
14.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层的延伸端形成于所述衬底上，所述第二石墨烯层的延伸端形成于所述衬底上。
15.如权利要求1所述的基于石墨烯的电吸收光学调制器，其特征在于，在所述第二高折射率材料层上，进一步包括覆盖所述基于石墨烯的长程SPP波导结构的二氧化硅层。
16.一种基于石墨烯的电吸收光学调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取衬底，在所述衬底上沉积制备第一高折射率材料层，随后转移一石墨烯薄膜在所述第一高折射率材料层上形成第一石墨烯层，然后在所述第一石墨烯层上沉积制备第一低折射率材料层，所述第一石墨烯层包括突出于所述第一低折射率材料层一侧的延伸端，在所述第一石墨烯层的延伸端制备导电金属薄膜形成第一电极；
在所述第一低折射率材料层上制备一层金属薄膜层，然后在所述金属薄膜层上沉积制备第二低折射率材料层，再转移一石墨烯薄膜在所述第二低折射率材料层上形成第二石墨烯层，在所述第二石墨烯层上沉积制备第二高折射率材料层，所述第二石墨烯层包括突出于所述第二高折射率材料层一侧的延伸端，在所述第二石墨烯层的延伸端沉积导电金属薄膜形成第二电极；
所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的材质为折射率2.5-4的高折射率材料，所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的材质为折射率1.0-2.2的低折射率材料，所述金属薄膜层的材质为金、银、铝或铜；
所述第一高折射率材料层、第一石墨烯层、第一低折射率材料层、金属薄膜层、第二低折射率材料层、第二石墨烯层和第二高折射率材料层构成基于石墨烯的长程SPP波导结构，所述基于石墨烯的长程SPP波导结构包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，在所述第一方向上具有相对设置的两端，将其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，最终得到基于石墨烯的电吸收光学调制器。
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Deep subwavelength plasmonic waveguide switch in double graphene layer structure;Hideo Iizuka;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20131204;全文 |
| Graphene-based waveguide integrated dielectric-loaded plasmonic electro-absorption modulators;Jacek Gosciniak and Dawn T H Tan;《NANOTECHNOLOGY》;20130410;全文 |
| Long range surface plasmons in a symmetric graphene system with anisotropic dielectrics;K V Sreekanth and Ting Yu;《JOURNAL OF OPTICS》;20130320;全文 |
| Surface-plasmons lasing in double-graphene-layer structures;A. A. Dubinov et al;《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》;20140130;全文 |
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