CN106324869A - 基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，属于光电子技术领域，包括二氧化硅衬底层，二氧化硅衬底层的上表面设有条形硅光波导层，条形硅光波导层的上表面依次设置有第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线，并且彼此之间分别被绝缘层隔离；第一石墨烯微带线的两端分别向远离条形硅光波导层的两侧或同侧延伸出来连接第一电极和第二电极；第二石墨烯微带线的其中一端向远离条形硅光波导层的一侧延伸出来连接第三电极。本发明提出了一种新的石墨烯光调制器的波导结构，并采用了微带线行波电极设计，本发明光调制器具有与CMOS工艺(微电子工艺)兼容，具有体积小、可集成化，并可实现超宽调制带宽的优点。本发明用于集成光子器件中的超高速光信号调制和解调。

Description

基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器。
背景技术
传统的光调制器实现手段主要包括：Si基材料的载流子色散效应、聚合物材料的电光、热光效应、铌酸锂材料的电光效应和特殊材料的电致或磁致伸缩特性。但传统的调制器受自身材料特性的局限性，Si基光调制器和铌酸锂光调制器的调制速率已达到瓶颈，突破50GHz极为困难，且器件体积较大、调制电压较高；聚合物光调制器的热和化学稳定性较差；InP基光调制器工艺复杂、成本高，且有较大的啁啾；电致或磁致伸缩材料虽可以减小器件的体积和插入损耗，但调制带宽较小。
石墨烯材料超宽光谱的吸收范围，超高的载流子迁移率，其光学特性可以被人为调控，并且其工艺与传统CMOS工艺兼容，被认为是未来Si材料的替代者，是制作光调制器的理想材料(见文献Kinam Kim,et al.A role for graphene in silicon-basedsemiconductor devices.Nature,2011,Vol 479,p338-344)。目前，基于石墨烯材料的光学调制器已经得到广泛的研究，但实现的光调制速率却不是很理想，目前文献报道的最大调制带宽在30GHz左右(见文献C.T.Phare,et al.Graphene electro-optic modulator with30GHz bandwidth,Nature Photonics 9,2015)，还不及传统Si基光调制器所实现的调制带宽。这主要受限于集总电极结构的较大RC常数限制。而石墨烯材料具有超高的载流子迁移率，其本征的工作带宽可达500GHz。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，进一步提高光调制器的性能，本发明提出了一种与CMOS工艺兼容的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器。本发明的目的是为了解决目前基于石墨烯光调制器的调制带宽相对比较小的技术问题，提出了一种新的光调制器结构，是基于微带线行波电极结构，该结构可摆脱集总电极中RC特性的限制，可实现超宽带的调制带宽，并具有与CMOS工艺兼容、体积小、消光比高、插入损耗低的优点。
本发明所提供的技术方案为：
基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，所述光调制器波导结构包括：二氧化硅衬底层，二氧化硅衬底层的上表面设有条形硅光波导层；条形硅光波导层的两侧分别设置有第一介电质填充层和第二介电质填充层；在条形硅光波导层的上表面依次设置有第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线；条形硅光波导层、第一石墨烯微带线、第二石墨烯微带线之间通过绝缘层将彼此隔离；第一石墨烯微带线的两端分别向远离条形硅光波导层的两侧或同侧延伸，并分别连接有第一电极和第二电极；第二石墨烯微带线的其中一端向远离条形硅光波导层的一侧延伸，并连接有第三电极。
进一步的，绝缘层选择的材料为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物之一。
进一步的，绝缘层从下至上依次为第一绝缘层和第二绝缘层，所述的第一绝缘层的厚度为5～12nm，第二绝缘层的厚度为5～90nm。
进一步的，条形硅光波导层的两侧分别设置有第一介电质填充层和第二介电质填充层；且第一介电质填充层和第二介电质填充层均位于二氧化硅衬底层与第一绝缘层之间。
进一步的，所述的第一介电质填充层和第二介电质填充层的材料为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氢硅倍半氧烷(HSQ:hydrogen silsesquioxane)等材料之一或其组合体。
进一步的，所述的第一石墨烯微带线、第二石墨烯微带线的材料是单层石墨烯或少数层石墨烯。
进一步的，第一石墨烯微带线、第二石墨烯微带线均呈圆弧带状延伸。
进一步的，所述的第一电极、第二电极、第三电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。
进一步的，所述的第一电极、第二电极中任意一个作为微波信号的输入端，另一个作为微波信号的输出端；所述的第三电极作为接地电极。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用了所述的第一电极、第二电极、第三电极、第一石墨烯微带线、第二石墨烯微带线共同构成微带线行波电极结构，第一石墨烯微带线既作为微波信号的传输线，又作为光信号的吸收调控材料，当外加偏置电压工作在某一个点时，使得石墨烯-硅光波导对光信号有着较强的吸收，而改变外加偏置电压工作在另外一个点时，使得石墨烯-硅光波导对光信号几乎不吸收，从而通过调控外加偏置点即可实现光波调制功能，采用此微带线行波电极结构的光调制器的调制带宽将不受限于RC常数，调制带宽可突破200GHz；且传统的行波电极包括微带线和共面波导结构，电极制备比较复杂。而本发明行波电极结构制备相对简单，对于调制器性能有较大提升。
2、本发明光调制器波导是基于SOI晶片，制备工艺上可与传统的SOI CMOS工艺相兼容，易于集成。
3、本发明光调制器波导具有尺寸小、消光比高、插入损耗小的优点，200μm长度的调制区域可实现22.5dB的消光比，插入损耗只有0.72dB。
附图说明
图1为本发明实施例基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器三维结构示意图，其中第一石墨烯微带线的两端分别向远离条形硅光波导层的两侧延伸出来连接第一电极和第二电极。
图2为本发明实施例基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器三维结构示意图，其中第一石墨烯微带线的两端分别向远离条形硅光波导层2的同侧延伸出来连接第一电极和第二电极。
图3为本发明实施例基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器波导横截面结构示意图；
图4为本发明实施例TE模的有效折射率随着石墨烯化学势能的变化图；
图5为本发明实施例光信号别在本发明光调制器“On”和“Off”状态下不同有源区长度的归一化输出功率曲线图。
图中，1-二氧化硅衬底层，2-条形硅光波导层，31-第一介电质填充层，32-第二介电质填充层，41-第一绝缘层，42-第二绝缘层，51-第一石墨烯微带线，52-第二石墨烯微带线，61-第一电极，62-第二电极，63-第三电极。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。
基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，如图1和图2所示，包括二氧化硅衬底层1，二氧化硅衬底层1的上表面设有条形硅光波导层2；条形硅光波导层2的两侧分别设置有第一介电质填充层31和第二介电质填充层32；在条形硅光波导层2的上表面依次设置有第一石墨烯微带线51和第二石墨烯微带线52；条形硅光波导层2、第一石墨烯微带线51、第二石墨烯微带线52之间依次被第一绝缘层41、第二绝缘层42将彼此隔离；条形硅光波导层2的两侧分别设置有第一介电质填充层31和第二介电质填充层32；且第一介电质填充层31和第二介电质填充层32均位于二氧化硅衬底层1与第一绝缘层41之间；第一石墨烯微带线51的两端分别向远离条形硅光波导层2的两侧或同侧延伸出来连接第一电极61和第二电极62；第二石墨烯微带线52的其中一端向远离条形硅光波导层2的一侧延伸出来连接第三电极63。
进一步的，所述的第一绝缘层41、第二绝缘层42为绝缘材料构成，本发明选用的是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物等材料之一。
进一步的，所述的第一绝缘层41的厚度为5～12nm，第二绝缘层42的厚度为5～90nm。
进一步的，所述的第一介电质填充层31和第二介电质填充层32的材料可以是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氢硅倍半氧烷(HSQ:hydrogen silsesquioxane)等材料之一或其组合体。
进一步的，所述的第一石墨烯微带线51、第二石墨烯微带线52的材料是单层石墨烯或少数层石墨烯，少数层的层数选择为2～4层，2～4层的石墨烯材料与单层石墨烯的光学性质差不多，一般认为超过10层，被认为不再是石墨烯材料，而是石墨，其光学性能也是不一样的。
进一步的，所述的第一电极61、第二电极62、第三电极63的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。
进一步的，所述的第一电极61、第二电极62中任意一个作为微波信号的输入端，另一个作为微波信号的输出端；所述的第三电极63作为接地电极；所述的第一电极61、第二电极62、第三电极63、第一石墨烯微带线51、第二石墨烯微带线52共同构成微带线行波电极结构。
本发明的光调制器工作原理为：器件工作时，偏置电压通过电极作用在第一石墨烯微带线51和第二石墨烯微带线52的石墨烯层上，通过改变偏置电压，动态的改变石墨烯的介电常数，从而影响波导的有效折射率实部和虚部值变化。有效折射率实部对应着光场的相位变化，而其虚部对应着光场的衰减。第一石墨烯微带线51既作为微波信号的传输线，又作为光信号的吸收调控材料，当外加偏置电压工作在某一个点时，使得石墨烯-硅光波导对光信号有着较强的吸收，而改变外加偏置电压工作在另外一个点时，使得石墨烯-硅光波导对光信号几乎不吸收，从而通过调控外加偏置点即可实现光波调制功能。由于采用了微带线行波电极结构，其调制带宽不再受限于RC常数的限制，其调制带宽可由如下公式估算:
f 3 d B = 1.4 c π | n m - n 0 | L - - - ( 1 )
其中c为真空中的光速度，L为调制区域有源区的长度，nm为微波在波导中的有效折射率，n0为光波在波导中的有效折射率。波导中石墨烯与光的相互作用比较强烈，通常只需要小于500μm的长度即可实现较高的消光比。第一石墨烯微带线51、第二石墨烯微带线52向条形硅光波导层2外延伸出来的部分，是呈圆弧带状延伸出来，可降低微波损耗。另外使得行波电极对微波阻抗匹配、微波有效折射率nm与光波有效折射率n0之差尽可能小，即可实现超宽带的调制带宽。在工艺实现方面，本发明是基于SOI工艺，与传统的CMOS工艺兼容，易于集成。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：本实施例基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器的三维结构示意图如图1和图2所示，其波导横截面结构示意图如图3所示。采用波长为1.55μm的光波，条形硅光波导层2的高度和宽度分别为220nm和500nm，第一介电质填充层31、第二介电质填充层为SiO2材料，第一绝缘层41、第二绝缘层42分别为为5nm厚和20nm厚的hBN材料(六方氮化硼)，第一石墨烯微带线51、第二石墨烯微带线52的材料是单层石墨烯，第一电极61、第二电极62、第三电极63的材质均为在钯金属上镀上金作为接触电极(或者采用金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其他组合体)，第一石墨烯微带线51、第二石墨烯微带线52向条形硅光波导层2外延伸出来的部分，是呈圆弧带状延伸出来，是为了降低微波损耗。
图4是本发明实施例TE模的有效折射率随着石墨烯化学势能的变化图。本实施例波导结构只支持TE基模传输，当石墨烯化学势能在0～0.4eV时，TE模有效折射率虚部值比较大，在石墨烯化学势能在0.5～1eV时，TE模有效折射率虚部值比较小，分别选取石墨烯化学势能在0eV和0.7eV作为“Off”和“On”状态，光信号通过该光调制器时的归一化输出功率变化曲线如图5所示。当覆盖在硅光波导的石墨烯覆盖长度为200μm时，该光调制结构可实现22.2dB的消光比，而插入损耗只有0.72dB。
从式(1)可知，当L＝250μm,f3dB＝5.344*10^11/|nm-n0|,即使微波与光波之间的有效折射率差值为2，该光调制器的3dB调制带宽可高达267.2GHz。而微波与光波之间的有效折射率差值可根据绝缘层材料的选取而进一步缩小，实现微波信号与光波信号的速度匹配，所以可以实现更高的调制带宽。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于，包括二氧化硅衬底层(1)，二氧化硅衬底层(1)的上表面设有条形硅光波导层(2)；条形硅光波导层(2)的上表面依次设置有第一石墨烯微带线(51)和第二石墨烯微带线(52)；条形硅光波导层(2)、第一石墨烯微带线(51)、第二石墨烯微带线(52)之间通过绝缘层将彼此隔离；第一石墨烯微带线(51)的两端分别向远离条形硅光波导层(2)的两侧或同侧延伸，并分别连接有第一电极(61)和第二电极(62)；第二石墨烯微带线(52)的其中一端向远离条形硅光波导层(2)的一侧延伸，并连接有第三电极(63)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：绝缘层选择的材料为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物之一。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：绝缘层从下至上依次为第一绝缘层(41)和第二绝缘层(42)，所述第一绝缘层(41)的厚度为5～12nm，第二绝缘层(42)的厚度为5～90nm。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：条形硅光波导层(2)的两侧分别设置有第一介电质填充层(31)和第二介电质填充层(32)；且第一介电质填充层(31)和第二介电质填充层(32)均位于二氧化硅衬底层(1)与第一绝缘层(41)之间。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：第一介电质填充层(31)和第二介电质填充层(32)为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氢硅倍半氧烷中的任意一种或其组合体。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：第一石墨烯微带线(51)、第二石墨烯微带线(52)的材料是单层石墨烯或少数层石墨烯。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：第一石墨烯微带线(51)、第二石墨烯微带线(52)均呈圆弧带状延伸。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：所述的第一电极(61)、第二电极(62)、第三电极(63)的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。
9.根据权利要求1～8任一项所述的基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器，其特征在于：所述的第一电极(61)、第二电极(62)中任意一个作为微波信号的输入端，另一个作为微波信号的输出端；所述的第三电极(63)作为接地电极。
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