CN105866984B - 一种石墨烯电光调制器及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯电光调制器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种石墨烯电光调制器及其制备方法，所述石墨烯电光调制器具有平板电容型结构，包括光学衬底、底层石墨烯、绝缘层和顶层石墨烯，底层石墨烯处于光学衬底上，绝缘层处于底层石墨烯上，顶层石墨烯处于绝缘层上，顶层石墨烯和底层石墨烯通过绝缘层相互绝缘间隔，且顶层石墨烯处于底层石墨烯的上方，外部调制电压施加于底层石墨烯和顶层石墨烯上。本发明的石墨烯电光调制器是不依赖波导结构的、基于石墨烯电光调制技术的主动调Q器件，通过外加周期性电压的振幅变化来改变调制深度，可适应不同激光器参数对光调制深度的需求，将该石墨烯电光调制器插入激光器中可以获得大脉冲能量、重复频率可控的脉冲激光输出，具有广阔的市场前景。

Description

一种石墨烯电光调制器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光调制技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯电光调制的宽波段主动调Q器件，具体涉及一种石墨烯电光调制器及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子组成的具有单原子厚度的二维晶体。由于其独特的原子排列方式和能带结构，石墨烯不仅表现出超快的光学响应速率，而且对可见光到中红外波段具有2.3％的恒定吸收率；此外，石墨烯载流子浓度可以通过化学原子掺杂或电学掺杂而改变，其中，电学掺杂优良的可控性为石墨烯在光电调制器件中的应用提供了理论和技术基础，因此，开发基于石墨烯材料的电光调制器，实现具有响应带宽大、调制深度可控、体积小、易于集成的新型电光调制器件，在光互联网络、光通信系统、信息处理、激光系统等领域具有巨大的应用前景。目前，基于石墨烯电光调制的技术主要以波导为载体与被调制光进行耦合，波导不仅具有较大的插入损耗，而且由于截止波长的限制，极大的限制了石墨烯电光调制器在激光器中的应用。现有技术中尚未出现不依赖波导结构的基于石墨烯电光调制的主动调Q器件。
发明内容
本发明提供了一种石墨烯电光调制器及其制备方法，所述的石墨烯电光调制器为基于石墨烯电光调制技术的宽波段主动调Q器件，由光学衬底、上下石墨烯层、绝缘层和金属电极部分组成，整体为平板电容型结构，上下石墨烯层分别组成电光调制器的正负极，正负极之间由绝缘层隔开形成电容器。当外加周期性电压作用于上下石墨烯层时，由正负极之间形成的电场引入石墨烯中的电子或空穴掺杂，这种载流子掺杂浓度的变化导致费米能级移动，从而可以实现对入射光的吸收调制。本发明所提出的石墨烯电光调制器是首个不依赖波导结构的基于石墨烯电光调制技术的主动调Q器件，将该石墨烯电光调制器插入激光器中，通过主动调Q机制可以获得大脉冲能量、重复频率可控的脉冲激光输出，具有广阔的市场前景。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种石墨烯电光调制器，所述石墨烯电光调制器整体具有平板电容型结构，包括光学衬底1、底层石墨烯2、绝缘层4和顶层石墨烯5，所述底层石墨烯2处于所述光学衬底1上，所述绝缘层4处于所述底层石墨烯2上，所述顶层石墨烯5处于所述绝缘层4上，所述顶层石墨烯5和底层石墨烯2通过所述绝缘层4相互绝缘间隔，且所述顶层石墨烯5处于所述底层石墨烯2的上方，外部调制电压施加于所述底层石墨烯2和顶层石墨烯5上。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中还包括有上金属电极6和下金属电极3，所述上金属电极6电性连接于所述顶层石墨烯5，所述下金属电极3电性连接于所述底层石墨烯2，所述上金属电极6和下金属电极3连接外部调制电压。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中所述下金属电极3按照预定电极图案形成于所述底层石墨烯2上，所述上金属电极6按照预定的电极图案形成于所述顶层石墨烯5上，且所述下金属电极3的正上方未设置有所述顶层石墨烯5，所述上金属电极6的正下方未设置有所述底层石墨烯2，所述顶层石墨烯5和底层石墨烯2除电极形成部位之外上下正对设置。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中所述光学衬底1双面抛光，所述上金属电极6和下金属电极3具有单金属层或双金属层结构，所述顶层石墨烯和底层石墨烯为单层石墨烯层或多层石墨烯层，所述绝缘层的厚度在15nm至1μm。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中所述光学衬底采用高透光性的石英、玻璃或氟化钙材料制作，所述上金属电极6和下金属电极3采用Au、Ag、Al和/或Pt制作，所述绝缘层采用HfO2和/或Ta2O5制作。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中所述顶层石墨烯和底层石墨烯均为多层石墨烯层，石墨烯层的层数在2层至17层之间；所述上金属电极6和下金属电极3具有双金属层结构，所述下金属电极和上金属电极之间的距离在10微米至1毫米之间，所述顶层石墨烯5和底层石墨烯2之间的正对面积处于10μm*10μm至1mm*1mm之间。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中所述上金属电极6和下金属电极3具有Ti/Au双层结构，其中Ti层厚度在3-8nm之间，Au层厚度在30-60nm之间，所述下金属电极和上金属电极之间的距离在100-800微米之间，所述绝缘层的厚度在15-100nm之间，所述顶层石墨烯5和底层石墨烯2之间的正对面积处于100μm*100μm至800μm*800μm之间，
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器，其中所述石墨烯电光调制器的工作波长在1μm至2.5μm之间，外部调制电压为周期性调制电压，待调制光束垂直于石墨烯层入射。
一种本发明所述石墨烯电光调制器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将生长有石墨烯层的铜箔上表面旋涂第一光刻胶，待第一光刻胶风干后，将生长在铜箔背面的石墨烯层刻蚀干净，继而裁减两片适当大小的单面附着石墨烯层的铜箔，将其置入可溶解铜箔的刻蚀液中，待铜箔完全溶解后形成两片表面附着第一光刻胶的石墨烯薄膜，将其中一片表面附着第一光刻胶的石墨烯薄膜清洗后转移至光学衬底上，其中石墨烯薄膜接触光学衬底表面，接着对光学衬底进行加热以去除残留水分，之后将其浸入第一光刻胶的溶解溶剂中，将石墨烯薄膜上的第一光刻胶溶解掉，最后进行清洗和风干，得到光学衬底上转移有底层石墨烯的结构；
步骤二、在步骤一制得的底层石墨烯表面旋涂第二光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于下金属电极正对区域的第二光刻胶，在下金属电极正对区域露出底层石墨烯，然后在整个器件表面蒸镀金属层，所述金属层形成于第二光刻胶层表面和下金属电极正对区域的底层石墨烯表面，接着将整个器件放入第二光刻胶溶解溶剂中，将底层石墨烯上的第二光刻胶层溶解掉，处于第二光刻胶层表面上的金属层一同掉落，从而在底层石墨烯上形成下金属电极；
步骤三、在步骤二制得的底层石墨烯和下金属电极表面旋涂第三光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于上金属电极正对区域的第三光刻胶，在上金属电极正对区域露出底层石墨烯，然后将上金属电极正对区域露出的底层石墨烯刻蚀掉，接着将整个器件放入第三光刻胶溶解溶剂中，将第三光刻胶层溶解掉；
步骤四、在整个器件表面沉积绝缘层，所述绝缘层同时覆盖下金属电极表面、底层石墨烯表面和上金属电极正对区域的光学衬底表面；
步骤五、将步骤一制得的另一片表面附着第一光刻胶的石墨烯薄膜清洗后转移至步骤四制得的绝缘层上，其中石墨烯薄膜表面覆盖整个绝缘层，接着将整个器件加热以去除残留水分，然后将其浸入第一光刻胶的溶解溶剂中，将石墨烯薄膜表面的第一光刻胶溶解掉，得到绝缘层上转移有顶层石墨烯的结构；
步骤六、在步骤五制得的顶层石墨烯表面旋涂第四光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于上金属电极正对区域的第四光刻胶，在上金属电极正对区域露出顶层石墨烯，然后在整个器件表面蒸镀金属层，所述金属层同时形成于第四光刻胶层表面和上金属电极正对区域的顶层石墨烯表面，接着将整个器件放入第四光刻胶溶解溶剂中，将顶层石墨烯上的第四光刻胶层溶解掉，处于第四光刻胶层表面上的金属层一同掉落，从而在顶层石墨烯上形成上金属电极；
步骤七、在步骤六制得的顶层石墨烯和上金属电极表面旋涂第五光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于下金属电极正上方区域的第五光刻胶，在下金属电极的正上方区域露出顶层石墨烯，然后将下金属电极正上方区域露出的顶层石墨烯刻蚀掉，最后将整个器件放入第五光刻胶溶解溶剂中，将顶层石墨烯和上金属电极表面的第五光刻胶层溶解掉，清洗风干后得到所述石墨烯电光调制器。
进一步的根据本发明所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其中所述第一光刻胶为PMMA，所述第二光刻胶、第三光刻胶、第四光刻胶和第五光刻胶均为MMA与PMMA，所述光刻胶的溶解溶剂均为丙酮溶液。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
(1)本发明首次基于石墨烯的电光调制特性制备主动调Q器件，通过电场效应控制石墨烯费米能级的变化对入射光信号的吸收进行调制，由于石墨烯主要采用化学气相沉积法生长制备，具有均匀性好、载流子迁移率高、成本低廉等优点，从而可以实现高调制速率、低调制电压的石墨烯电光调制器。
(2)本发明首创地采用石墨烯二维材料作为电光调制介质用于主动调Q光纤激光器中，由于石墨烯材料具有超宽的光学响应波长范围、超快的载流子弛豫速率、可控的调制深度，可实现高稳定性、脉冲重复频率可控、脉冲宽度可调谐、输出波长可调谐的大能量主动调Q激光输出。
(3)本发明通过外加周期性电压的振幅变化来改变石墨烯电光调制器的调制深度，不同于石墨烯被动可饱和吸收体的固定调制深度，该器件可适应不同激光器参数对光调制深度的需求，更为容易实现调Q脉冲的输出。
(4)本发明采用石英、玻璃、氟化钙等光学透明材料作为衬底，激光垂直于石墨烯表面入射，避免了波导结构电光调制器较大的插入损耗，工作波长不受限制，只与石墨烯费米能级的移动范围相关，该石墨烯电光调制器可满足近红外波段不同波长激光器的应用需求。
(5)本发明采用具有较大介电常数的HfO2、Ta2O5等绝缘材料制作介电层，可以有效降低单位调制深度所需的偏压大小，避免了由于普通绝缘材料如Al2O3、SiO2等工作电压较大，易击穿的缺点。
(6)本发明同时首创了这种石墨烯电光调制器的制备方法，基于底层石墨烯薄膜转移技术以及电极刻蚀制备技术实现了本发明创新结构的石墨烯电光调制器的制备，制备工艺新颖独特、实现容易、成本低廉，从而使得本发明所述的石墨烯电光调制器应用推广前景广阔。
附图说明
附图1为本发明所述石墨烯电光调制器的结构示意图。
附图2至附图14为本发明所述石墨烯电光调制器的制作过程示意图。
附图15为本发明实施例制备的石墨烯电光调制器的光学显微图像。
附图16为本发明实施例制备的石墨烯电光调制器的阻抗特性随电压的变化曲线。
附图17为本发明实施例制备的石墨烯电光调制器在1550nm的透过率(光吸收)随调制偏压的变化曲线。
图中各附图标记的含义如下：
1、光学衬底，2、底层石墨烯，3、下金属电极，4、绝缘层，5、顶层石墨烯，6、上金属电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明提出的石墨烯电光调制器属于一种全新的基于石墨烯电光调制特性的、不依赖于波导结构的主动调Q器件，将这种石墨烯电光调制器应用于光学激光器中，经过试验可实现高稳定性、脉冲重复频率可控、脉冲宽度可调谐、输出波长可调谐的大能量主动脉冲激光输出，具有广阔的应用前景。首先说明本发明所述石墨烯电光调制器的基本结构和工作原理。如附图1所示，所述的石墨烯电光调制器包括光学衬底1、底层石墨烯2、下金属电极3、绝缘层4、顶层石墨烯5和上金属电极6，其中底层石墨烯2形成于光学衬底1上，下金属电极3按照预定的电极图案形成于底层石墨烯2上，绝缘层4处于底层石墨烯2和顶层石墨烯5之间，将底层石墨烯2和顶层石墨烯5绝缘间隔，顶层石墨烯5形成于绝缘层4之上，上金属电极6按照预定的电极图案形成于顶层石墨烯5上，下金属电极3电性接触底层石墨烯2，上金属电极6电性接触顶层石墨烯5。同时确保下金属电极2的正上方无顶层石墨烯5、上金属电极6的正下方无底层石墨烯2，以减少寄生电容，并且分别引出两个电极时不会使上下两层石墨烯导通，顶层石墨烯5和底层石墨烯2除电极形成部位之外上下正对设置，整个石墨烯电光调制器形成为平板电容型结构，上下石墨烯层分别组成电光调制器的正负极，之间由绝缘层隔开形成电容器。这样当外加周期性电压作用于金属电极时，在上下两层石墨烯之间形成电场，从而引入石墨烯中电子或空穴掺杂变化，这种载流子掺杂浓度的变化将导致石墨烯能带中费米能级的移动，当费米能级与狄拉克点之间的能隙大于入射光子能量的一半时，石墨烯的光学吸收为零。从而所述石墨烯电光调制器在外加调制电压信号下可以实现对入射光信号的吸收调制，基于此可作为一种主动调Q器件，经试验所述石墨烯电光调制作为宽波段主动调Q器件的工作波长在1μm至2.5μm之间。
优选的，所述的光学衬底1可采用石英、玻璃、或氟化钙等高透光率材料，这些材料在近红外波段中的插入损耗较小。所述石墨烯层为化学气相沉积、或碳化硅外延生长等方法制备的大面积石墨烯薄膜层，顶层石墨烯和底层石墨烯均可为单层石墨烯层或多层石墨烯层，当采用多层石墨烯时，石墨烯的层数优选的在2至17层之间。所述的金属电极可采用Au、Ag、Al、或Pt等金属制作，这些金属与石墨烯之间具有较小的接触电阻，保证金属电极与石墨烯层之间良好的电性接触。所述的绝缘层优选的采用HfO2、Ta2O5等介电常数较大的材料制作，厚度为15nm至1μm。
进一步优选的，所述光学衬底1为插入损耗较小的双面抛光石英片，所述上下石墨烯层均采用化学气相沉积法生长于铜箔基底，所述金属电极具有双金属层结构，优选的为Ti/Au，即下金属电极和上金属电极均为Ti/Au双层结构，其中Ti层厚度优选在3-8nm之间，更优选的为5nm，Au层厚度在30-60nm之间，更优选的为50nm，且下金属电极和上金属电极之间距离在10μm-1mm之间，优选的在100-800微米之间，更优选的在400-600微米之间，进一步优选的为500μm。所述绝缘层4优选的为厚度在15-50nm之间、优选的为30nm的HfO2介电层。所述底层石墨烯与顶层石墨烯正对设置(电极部分除外)形成平板电容器结构，正对面积在10μm*10μm至1mm*1mm之间，优选的100μm*100μm至800μm*800μm之间，更优选为500μm*500μm。同时确保下金属电极3的正上方没有形成顶层石墨烯5，上金属电极6的正下方没有形成底层石墨烯2，该设计的优势是可以减小该器件的寄生电容，并且分别引出两个电极时不会使上下两层石墨烯导通。
本发明基于石墨烯的光电调制效应，采用高透过率的光学衬底，调制光垂直于石墨烯成表面入射，有效的降低了插入损耗，可将其集成于激光系统中在通信波段实现主动电光调Q脉冲输出，不同于传统的基于主动电光调制晶体和被动可饱和吸收体，本发明所述的石墨烯电光调制器具有工作波长宽、调制深度可控、稳定性好、结构紧凑、体积小等特点。
下面进一步给出本发明创新的石墨烯电光调制器的制备过程，所述石墨烯电光调制器的制备方法包括以下步骤：
步骤一、清洗光学衬底：
首先将作为光学衬底的石英片浸入丙酮(Acetone)溶剂中超声清洗5分钟，随后浸入异丙醇(Isopropanol)溶剂中超声清洗5分钟，最后用氮气枪将残留在石英片表面的异丙醇(Isopropanol)吹干。
步骤二、转移底层石墨烯薄膜：
首先在生长有石墨烯层的铜箔上表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；待PMMA风干后，使用反应离子刻蚀技术(RIE)将生长在铜箔背面的石墨烯刻蚀干净；继而裁减两片适当大小的单面附着石墨烯的铜箔将其置入可溶解铜箔的过硫酸铵(APS)刻蚀液中；当铜箔完全刻蚀后(约8小时)，再将其中一片PMMA/石墨烯薄膜转移到去离子水(DI-Water)中清洗残留在石墨烯背面的刻蚀液，然后将该薄膜转移至石英光学衬底；将转移有石墨烯的光学衬底置于电热板上(180℃)烘烤10分钟去除残留的水分；之后将其依次浸入丙酮(Acetone)和异丙醇(Isopropanol)溶剂中，分别溶解旋涂于石墨烯表面的PMMA及清洗前一步骤中残留的丙酮；最后用氮气枪将残留的异丙醇(Isopropanol)吹干，得到光学衬底上转移有底层石墨烯的结构，如附图2所示。
步骤三、制作下金属电极：
先后旋涂光刻胶(4000rad/s,40s)MMA及PMMA于底层石墨烯薄膜表面,并分别于电热板烘烤2分钟(180℃)；然后利用电子束曝光系统(EBL)曝光(基于下金属电极结构图案)下金属电极正对区域的光刻胶层，并放入显影液(MIBK)中显影，显影后立即放入异丙醇(Isopropanol)中清洗残留的MIBK；通过曝光、显影后下金属电极正对区域所在的光刻胶MMA及PMMA被去除，如图3所示。随后，使用电子束蒸镀在石墨烯以及光刻胶MMA及PMMA表面依次蒸镀(5nm)Ti层和(50nm)Au层，形成Ti/Au双金属层结构，如下图4所示。最后将整个器件放入丙酮溶液中浸泡4小时以上，丙酮可溶解MMA/PMMA层，溶解MMA/PMMA层的同时可使其表面的Ti/Au掉落，从而将无MMA/PMMA层的电极区域的Ti/Au保留，如图5所示，从而在底层石墨烯上按照预定图案制备得到下金属电极。
步骤四、刻蚀上金属电极正对区域的底层石墨烯：
在下金属电极制作完成后，依次在样品表面旋涂光刻胶(4000rad/s,40s)MMA及PMMA，采用EBL(基于上金属电极结构图案)曝光上金属电极正对区域的光刻胶MMA及PMMA，并放入显影液(MIBK)中显影，显影后立即放入异丙醇(Isopropanol)中清洗残留的MIBK，通过曝光、显影将上金属电极正对区域所在的光刻胶MMA及PMMA去除，露出底层石墨烯，而除上金属电极正对区域以外的其他底层石墨烯则被光刻胶MMA及PMMA层覆盖保护，如图6所示。最后使用反应离子刻蚀(RIE)将显影后无MMA及PMMA保护的底层石墨烯区域刻蚀干净，如图7所示，随后在丙酮溶液中浸泡15分钟，清洗掉底层石墨烯以及下金属电极上的光刻胶MMA/PMMA。
步骤五、制作绝缘层：
采用原子层沉积技术，Tetrakis(dimethylamido)hafnium(TDMAH)为前驱层，生长(30nm厚)的介电绝缘层HfO2(200℃)，如图8所示，所述绝缘层同时覆盖下金属电极表面、底层石墨烯表面和上金属电极正对区域的光学衬底表面。
步骤六、转移顶层石墨烯：
将早先准备好的其中另外一片PMMA/石墨烯薄膜转移到去离子水(DI-Water)中，清洗残留在石墨烯背面的刻蚀液，然后将该薄膜转移至步骤五制作的绝缘层上，作为顶层石墨烯，并确保顶层石墨烯薄膜与底层石墨烯薄膜面积正对。接着将转移有顶层石墨烯的整个基底置于电热板上(180℃)烘烤10分钟去除残留的水分；之后将其依次浸入丙酮(Acetone)和异丙醇(Isopropanol)溶剂中，分别溶解旋涂于顶层石墨烯表面的PMMA及清洗前一步骤中残留的丙酮；最后用氮气枪将残留的异丙醇(Isopropanol)吹干，得到如图9所示结构。
步骤七、制作上金属电极：
先后旋涂光刻胶(4000rad/s,40s)MMA及PMMA于附图9制得的顶层石墨烯薄膜上表面,并分别于电热板烘烤2分钟(180℃)。然后利用电子束曝光系统(EBL)基于上金属电极图案曝光上金属电极正对区域的光刻胶MMA及PMMA，并放入显影液(MIBK)中显影，显影后立即放入异丙醇(Isopropanol)中清洗残留的MIBK，通过曝光、显影将上金属电极正对区域(也就是底层石墨烯被RIE刻蚀掉的区域)的光刻胶MMA及PMMA去除，露出顶层石墨烯，而除此之外的其他顶层石墨烯则被光刻胶MMA及PMMA层覆盖保护，如图10所示。随后，使用电子束蒸镀依次在顶层石墨烯表面蒸镀5nm Ti及50nm Au，形成Ti/Au双金属层结构，如图11所示，最后将整个器件放入丙酮溶液中浸泡4小时以上，溶解MMA/PMMA层的同时可使其表面的Ti/Au掉落，从而无MMA/PMMA层的上金属电极对应区域的Ti/Au被保留，从而在顶层石墨烯上按照预定图案制备得到上金属电极，如图12所示。
步骤八、刻蚀下金属电极正上方的顶层石墨烯：
上金属电极制作完成后，依次在样品表面旋涂光刻胶(4000rad/s,40s)MMA及PMMA，采用EBL曝光处于下金属电极正上方的光刻胶MMA及PMMA，保留与底层石墨烯正对面积的顶层石墨烯，并放入MIBK中显影，显影后立即放入异丙醇(Isopropanol)中清洗残留的MIBK，从而顶层石墨烯上对应于下金属电极的光刻胶MMA及PMMA部分被去除，如附图13所示，最后使用RIE将显影后没有光刻胶MMA及PMMA保护的处于下金属电极正上方的顶层石墨烯部分刻蚀干净，然后在丙酮溶液中浸泡15分钟，清洗掉光刻胶层MMA/PMMA，得到本发明所述的石墨烯电光调制器，如图14所示。
最后给出本发明制备的石墨烯电光调制器的实施例。
实施例1
一种石墨烯电光调制器，其光学显微图像如附图15所示，自下而上包括光学衬底1、底层石墨烯2、下金属电极3、绝缘层4、顶层石墨烯5和上金属电极6，顶层石墨烯5和底层石墨烯2正对设置，同时下金属电极3的正上方无顶层石墨烯5，上金属电极6的正下方无底层石墨烯，所述光学衬底1为插入损耗较小的2*2cm的双面抛光石英片，顶层石墨烯5和底层石墨烯2均采用单层石墨烯制作，单层石墨烯采用化学气相沉积法生长于铜箔基底，下金属电极3和上金属电极6均为厚度5/50nm的Ti/Au，两电极之间距离为500μm。绝缘层4为厚度30nm的HfO2，顶层石墨烯5和底层石墨烯2正对面积为500μm*500μm。该实施例中的石墨烯电光调制器为平板电容型结构，通过对上下两层石墨烯加偏压，在石墨烯之间形成电场，由电场效应产生的载流子浓度变化可以移动石墨烯能带中费米能级的位置，从而改变石墨烯对入射光信号的吸收。如图16所示，分别给出了该器件的电阻、电容随调制偏压的变化曲线，通过对施加在两层石墨烯上偏压大小的控制，可对其引入不同程度的空穴或者电子掺杂，当费米能级位于狄拉克点时载流子浓度最小，对应的电阻最大，电容最小。在零偏压下，费米能级并未处于狄拉克点，是由于该器件在制作过程中石墨烯中产生的空穴掺杂导致，因此载流子浓度最小时对应的电压为负值。此外还测试了该石墨烯电光调制器在1550nm的透过率随偏压的变化曲线，如图17所示，随着偏压的增加，透过率变大，即石墨烯的光学吸收降低，因此，可以通过外加偏压的大小对石墨烯的光学吸收进行调制。因此本实施例所述电光调制器可作为主动调Q器件集成于激光器中在通信波段实现主动电光调Q脉冲输出，不同于被动可饱和吸收体，该主动调Q器件的调制深度可控，可以更容易满足不同激光腔的需求，与传统基于主动电光调制晶体相比较，其具有工作波长宽、稳定性好、结构紧凑等特点。目前，已在1.55μm和2μm波段光纤激光器中实现了主动调Q脉冲激光输出。
本发明首次基于石墨烯的电光调制特性制备主动调Q器件，通过电场效应控制石墨烯费米能级的变化对入射光信号的吸收进行调制，从而能够通过外加周期性电压的振幅变化来改变石墨烯电光调制器的调制深度，不同于石墨烯被动可饱和吸收体的固定调制深度，满足了不同激光器参数对光调制深度的需求，更为容易实现调Q脉冲的输出，同时由于石墨烯材料具有超宽的光学响应波长范围、超快的载流子弛豫速率、可控的调制深度，从而所述的石墨烯电光调制器具有高调制速率和低调制电压的独特优点，另外由于石墨烯主要采用化学气相沉积法生长制备，具有均匀性好、载流子迁移率高、成本低廉等优点。此外本发明首创了这种石墨烯电光调制器的制备方法，基于底层石墨烯薄膜转移技术以及电极刻蚀制备技术实现了本发明创新结构的石墨烯电光调制器的制备，制备工艺新颖独特、实现容易、成本低廉，从而使得本发明所述的石墨烯电光调制器应用推广前景广阔。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (7)

1.一种石墨烯电光调制器的制备方法，所述石墨烯电光调制器整体具有平板电容型结构，包括光学衬底(1)、底层石墨烯(2)、绝缘层(4)、顶层石墨烯(5)、上金属电极(6)和下金属电极(3)，所述底层石墨烯(2)处于所述光学衬底(1)上，所述绝缘层(4)处于所述底层石墨烯(2)上，所述顶层石墨烯(5)处于所述绝缘层(4)上，所述顶层石墨烯(5)和底层石墨烯(2)通过所述绝缘层(4)相互绝缘间隔，且所述顶层石墨烯(5)处于所述底层石墨烯(2)的上方，所述上金属电极(6)电性连接于所述顶层石墨烯(5)，所述下金属电极(3)电性连接于所述底层石墨烯(2)，所述上金属电极(6)和下金属电极(3)连接外部调制电压，所述下金属电极(3)按照预定电极图案形成于所述底层石墨烯(2)上，所述上金属电极(6)按照预定的电极图案形成于所述顶层石墨烯(5)上，且所述下金属电极(3)的正上方未设置有所述顶层石墨烯(5)，所述上金属电极(6)的正下方未设置有所述底层石墨烯(2)，所述顶层石墨烯(5)和底层石墨烯(2)除电极形成部位之外上下正对设置；
其特征在于，所述石墨烯电光调制器的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将生长有石墨烯层的铜箔上表面旋涂第一光刻胶，待第一光刻胶风干后，将生长在铜箔背面的石墨烯层刻蚀干净，继而裁减两片适当大小的单面附着石墨烯层的铜箔，将其置入可溶解铜箔的刻蚀液中，待铜箔完全溶解后形成两片表面附着第一光刻胶的石墨烯薄膜，将其中一片表面附着第一光刻胶的石墨烯薄膜清洗后转移至光学衬底上，其中石墨烯薄膜接触光学衬底表面，接着对光学衬底进行加热以去除残留水分，之后将其浸入第一光刻胶的溶解溶剂中，将石墨烯薄膜上的第一光刻胶溶解掉，最后进行清洗和风干，得到光学衬底上转移有底层石墨烯的结构；
步骤二、在步骤一制得的底层石墨烯表面旋涂第二光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于下金属电极正对区域的第二光刻胶，在下金属电极正对区域露出底层石墨烯，然后在整个器件表面蒸镀金属层，所述金属层形成于第二光刻胶层表面和下金属电极正对区域的底层石墨烯表面，接着将整个器件放入第二光刻胶溶解溶剂中，将底层石墨烯上的第二光刻胶层溶解掉，处于第二光刻胶层表面上的金属层一同掉落，从而在底层石墨烯上形成下金属电极；
步骤三、在步骤二制得的底层石墨烯和下金属电极表面旋涂第三光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于上金属电极正对区域的第三光刻胶，在上金属电极正对区域露出底层石墨烯，然后将上金属电极正对区域露出的底层石墨烯刻蚀掉，接着将整个器件放入第三光刻胶溶解溶剂中，将第三光刻胶层溶解掉；
步骤四、在整个器件表面沉积绝缘层，所述绝缘层同时覆盖下金属电极表面、底层石墨烯表面和上金属电极正对区域的光学衬底表面；
步骤五、将步骤一制得的另一片表面附着第一光刻胶的石墨烯薄膜清洗后转移至步骤四制得的绝缘层上，其中石墨烯薄膜表面覆盖整个绝缘层，接着将整个器件加热以去除残留水分，然后将其浸入第一光刻胶的溶解溶剂中，将石墨烯薄膜表面的第一光刻胶溶解掉，得到绝缘层上转移有顶层石墨烯的结构；
步骤六、在步骤五制得的顶层石墨烯表面旋涂第四光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于上金属电极正对区域的第四光刻胶，在上金属电极正对区域露出顶层石墨烯，然后在整个器件表面蒸镀金属层，所述金属层同时形成于第四光刻胶层表面和上金属电极正对区域的顶层石墨烯表面，接着将整个器件放入第四光刻胶溶解溶剂中，将顶层石墨烯上的第四光刻胶层溶解掉，处于第四光刻胶层表面上的金属层一同掉落，从而在顶层石墨烯上形成上金属电极；
步骤七、在步骤六制得的顶层石墨烯和上金属电极表面旋涂第五光刻胶层，并通过曝光、显影去除处于下金属电极正上方区域的第五光刻胶，在下金属电极的正上方区域露出顶层石墨烯，然后将下金属电极正上方区域露出的顶层石墨烯刻蚀掉，最后将整个器件放入第五光刻胶溶解溶剂中，将顶层石墨烯和上金属电极表面的第五光刻胶层溶解掉，清洗风干后得到所述石墨烯电光调制器。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶为PMMA，所述第二光刻胶、第三光刻胶、第四光刻胶和第五光刻胶均为MMA与PMMA，所述光刻胶的溶解溶剂均为丙酮溶液。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯电光调制器中的所述光学衬底(1)双面抛光，所述上金属电极(6)和下金属电极(3)具有单金属层或双金属层结构，所述顶层石墨烯和底层石墨烯为单层石墨烯层或多层石墨烯层，所述绝缘层的厚度在15nm至1μm。
4.根据权利要求3所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯电光调制器中的所述光学衬底采用高透光性的石英、玻璃或氟化钙材料制作，所述上金属电极(6)和下金属电极(3)采用Au、Ag、Al和/或Pt制作，所述绝缘层采用HfO2和/或Ta2O5制作。
5.根据权利要求3所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯电光调制器中的所述顶层石墨烯和底层石墨烯均为多层石墨烯层，石墨烯层的层数在2层至17层之间；所述上金属电极(6)和下金属电极(3)具有双金属层结构，所述下金属电极和上金属电极之间的距离在10μm-1mm之间，所述顶层石墨烯(5)和底层石墨烯(2)之间的正对面积处于10μm*10μm至1mm*1mm之间。
6.根据权利要求5所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯电光调制器中的所述上金属电极(6)和下金属电极(3)具有Ti/Au双层结构，其中Ti层厚度在3-8nm之间，Au层厚度在30-60nm之间，所述下金属电极和上金属电极之间的距离在100-800微米之间，所述绝缘层的厚度在15-100nm之间，所述顶层石墨烯(5)和底层石墨烯(2)之间的正对面积处于100μm*100μm至800μm*800μm之间。
7.根据权利要求1-6任一项所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所制备的石墨烯电光调制器的工作波长在1μm至2.5μm之间，外部调制电压为周期性调制电压，待调制光束垂直于石墨烯层入射。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107994078B (zh) 2017-12-14 2020-08-11 北京华碳科技有限责任公司 具有源极控制电极的场效应晶体管、制造方法和电子器件
CN109586154B (zh) * 2019-01-08 2020-10-30 南京大学 一种基于三维狄拉克半金属可饱和吸收体的脉冲状态可调激光器
CN110246913A (zh) * 2019-06-21 2019-09-17 华南理工大学 一种InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器及其制备方法
CN110286500B (zh) * 2019-07-19 2024-05-24 中北大学 一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置
CN110330013B (zh) * 2019-08-21 2021-03-23 电子科技大学 一种悬浮石墨烯转移方法
CN111240048B (zh) * 2020-02-25 2023-01-24 贵州民族大学 一种光调制器
CN111736367B (zh) * 2020-06-01 2024-02-09 西安电子科技大学 基于石墨烯的相位调制器、调制方法及制备方法
CN111969398A (zh) * 2020-08-06 2020-11-20 南京信息工程大学 一种基于石墨烯可饱和吸收器件的电压可控全固态被动调q激光器
CN113064289A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 苏州微光电子融合技术研究院有限公司 一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器及其制备工艺
CN113031317A (zh) * 2021-03-26 2021-06-25 武汉光迅科技股份有限公司 一种小型化的高消光比调制器件及其使用方法
CN115166297B (zh) * 2022-02-21 2024-02-23 东南大学 一种基于石墨烯moems加速度计及其加工方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101908713A (zh) * 2010-08-03 2010-12-08 山东大学 石墨烯光学调q开关及应用
CN103064200A (zh) * 2011-10-19 2013-04-24 三星电子株式会社 包括石墨烯的光学调制器
CN105022178A (zh) * 2015-08-18 2015-11-04 电子科技大学 基于平面波导的石墨烯相位型光调制器
CN105372851A (zh) * 2015-12-17 2016-03-02 电子科技大学 基于石墨烯二硫化钼异质结光纤吸收增强型电光调制器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012145605A1 (en) * 2011-04-22 2012-10-26 The Regents Of The University Of California Graphene based optical modulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101908713A (zh) * 2010-08-03 2010-12-08 山东大学 石墨烯光学调q开关及应用
CN103064200A (zh) * 2011-10-19 2013-04-24 三星电子株式会社 包括石墨烯的光学调制器
CN105022178A (zh) * 2015-08-18 2015-11-04 电子科技大学 基于平面波导的石墨烯相位型光调制器
CN105372851A (zh) * 2015-12-17 2016-03-02 电子科技大学 基于石墨烯二硫化钼异质结光纤吸收增强型电光调制器

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