CN106526904A - 一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，包括衬底、设置在衬底表面的波导层、以及依次设置在波导层上的第一石墨烯层、电容层、第二石墨烯层和金属层；第一石墨烯层与波导层之间通过第一低折射率介质层隔离，第二石墨烯层与金属层之间通过第二低折射率介质层隔离，波导层、第一石墨烯层、电容层、第二石墨烯层和金属层在垂直于衬底方向上重叠；波导层材质包括高折射率介质或贵金属；石墨烯电光调制器还包括平行于衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，第一方向与光传输方向平行；在第二方向上，第一石墨烯层和第二石墨烯层包括向相反方向延伸的延伸端，第一石墨烯层的延伸端上设有第一电极，第二石墨烯层的延伸端上设有第二电极。

Description

一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器。
背景技术
电光调制器作为一种重要的调制器在通信领域中应用十分地广泛，传统的电光调制器主要包括无机物调制器、三五族半导体调制器和聚合物调制器，它们各自有各自的优缺点。
石墨烯是一种由碳原子以蜂巢形状排列的单层的材料。自从石墨烯制备成功以来便受到极大的关注。由于石墨烯具有很多常规材料难以企及的物理化学特性，如石墨烯具有超宽的吸收光谱，具有目前最高的载流子迁移率，这使得石墨烯成为电光调制器的理想材料。目前有很多基于石墨烯的电光调制器的研究，这些研究通常利用石墨烯在不同偏压下具有不同的光学参数，从而利用石墨烯光学参数的改变达到改变光场的效果。例如，第一个基于石墨烯的调制器的报道便是利用石墨烯与硅基波导倏逝场相互作用实现的。显然，如何增强石墨烯与光场的相互作用制约着石墨烯调制器的关键性能。为增强石墨烯与光场的相互作用，有的文献采用双层石墨烯，有的文献将石墨烯放置在波导场强最强的地方，有的采用高Q环形腔。但这些调制器的往往存在调制速率低、调制深度小、能耗高以及体积较大的缺点。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，利用杂化波导增强光和石墨烯的相互作用，克服了现有技术的不足，解决了现有技术调制器的调制速率低、调制深度小、能耗高、体积较大的缺点。
本发明提供了一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，包括衬底、设置在所述衬底表面的波导层、以及依次设置在所述波导层上的第一石墨烯层、电容层、第二石墨烯层和金属层；
所述第一石墨烯层与所述波导层之间通过第一低折射率介质层隔离，所述第二石墨烯层与所述金属层之间通过第二低折射率介质层隔离，所述波导层、所述第一石墨烯层、所述电容层、所述第二石墨烯层和所述金属层在垂直于所述衬底方向上重叠；所述波导层材质包括高折射率介质或贵金属，所述高折射率介质的折射率高于第一低折射率介质和第二低折射率介质；所述金属层的材质包括贵金属；
所述石墨烯电光调制器还包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向与光传输方向平行；在所述第二方向上，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一石墨烯层的延伸端上设有第一电极，所述第二石墨烯层的延伸端上设有第二电极。
优选地，所述第一低折射率介质层设置于所述衬底的表面且覆盖所述波导层；所述金属层嵌入第二低折射率介质层内，且所述第二金属层的上表面与所述第二低折射率层的上表面齐平；所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的部分表面与所述电容层接触，其余的表面与所述第一低折射率介质层和/或所述第二低折射率介质层接触。
优选地，所述金属层的厚度为50nm-200nm，所述金属层在所述第二方向上的宽度为100nm-500nm。
优选地，所述波导层的厚度为50nm-200nm，所述波导层在所述第二方向上的宽度为100nm-500nm。
优选地，所述金属层和所述波导层之间的垂直距离为20nm-100nm。
优选地，当所述波导层的材质包括贵金属时，所述波导层与所述金属层对称设置。
优选地，所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层的重叠宽度与所述金属层的宽度相同。
优选地，所述第一低折射率介质的折射率为1.0-2.2，所述第二低折射率介质的折射率为1.0-2.2，所述高折射率介质的折射率为2.3-10。
优选地，所述电容层的材质为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
优选地，所述基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器在所述第一方向上的长度为500nm-5μm。
本发明提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器具有极高的调制深度、可以实现超快的调制带宽，能耗较低，同时电光调制器的体积较小，能够满足光互联、光集成的要求，该电光调制器的平面波导结构能够很好的与其他器件进行集成。
附图说明
图1为本发明一实施方式提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器立体图；
图2为本发明一实施方式提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器的侧面图；
图3为实施例1中基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器在不同化学势时的折射率；
图4为实施例1中基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器在不同化学势时的损耗变化图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，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的保护范围。
参阅图1和图2，图1为本发明一实施方式提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器立体图；图2为本发明一实施方式提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器的侧面图；本发明提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器包括衬底1、设置在衬底1表面的波导层3、以及依次设置在波导层3上的第一石墨烯层41、电容层5、第二石墨烯层42和金属层7；
第一石墨烯层41与波导层3之间通过第一低折射率介质层21隔离，第二石墨烯层42与金属层7之间通过第二低折射率介质层22隔离，波导层3、第一石墨烯层41、电容层5、第二石墨烯层42和金属层7在垂直于衬底1方向上重叠(即图1所示的z方向)；波导层3材质包括高折射率介质或贵金属，高折射率介质的折射率高于第一低折射率介质和第二低折射率介质；金属层7的材质包括贵金属；
石墨烯电光调制器还包括平行于衬底且互相垂直的第一方向(即图1所示的y方向，这里不仅包括箭头的方向，也包括箭头的反方向)和第二方向(即图1所示的x方向，这里不仅包括箭头的方向，也包括箭头的反方向)，第一方向与光传输方向平行；在第二方向上，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42包括向相反方向延伸的延伸端，第一石墨烯层41的延伸端上设有第一电极61，第二石墨烯层42的延伸端上设有第二电极62。
本发明中，第一石墨烯层41、电容层5、第二石墨烯层42和金属层7按照从下到上的顺序依次设置在波导层3上。
本发明中，衬底为绝缘材料，具体为硅衬底。
本发明中，波导层材质可以为高折射率介质，高折射率介质的折射率为2.3-10。
本发明中，高折射率介质为半导体材料，优选为硅或三至五族半导体。
本发明中，波导层位于衬底上表面的中间位置。
本发明中，波导层材质还可以包括贵金属，具体为金、银或铂。
本发明中，波导层的厚度为50nm-200nm。
本发明中，波导层的厚度为100nm-200nm。
本发明中，波导层在第二方向上的宽度为100nm-500nm。
本发明中，波导层在第二方向上的宽度为150nm-300nm。
本发明中，第一石墨烯层的厚度为0.3nm-3nm，第二石墨烯层的厚度为0.3nm-3nm。
本发明中，第一石墨烯层或第二石墨烯层中的石墨烯为单层或多层石墨烯。
本发明中，多层石墨烯的层数为2-10层。
本发明中，在垂直于衬底方向上，第一石墨烯层和第二石墨烯层部分重叠或完全重叠。
本发明中，第一石墨烯层与第二石墨烯层的重叠宽度与金属波导层的宽度相同。这样可以最大化的提高调制效率。
本发明中，第一石墨烯层与第二石墨烯层重叠宽度为100nm-500nm。
本发明中，金属层和波导层之间的垂直距离为20nm-100nm。
本发明中，电容层位于金属层和波导层之间的中间位置，即电容层与金属层之间的垂直距离等于电容层与波导层之间的垂直距离。
如图1所示，本发明中，第一低折射率介质层设置于衬底的表面且覆盖波导层；金属层嵌入第二低折射率介质层内，且第二金属层的上表面与第二低折射率层的上表面齐平；第一石墨烯层和第二石墨烯层的部分表面与电容层接触，其余的表面与第一低折射率介质层和/或第二低折射率介质层接触。本发明第一低折射率介质层或第二低折射率介质层的设置可以保护石墨烯，防止石墨烯损坏，同时将光尽量局域在调制区域。
第一石墨烯层和第二石墨烯层的表面除了与电容层接触外，其余的表面位置与第一低折射率介质层和/或第二低折射率介质层接触，如第一石墨烯层的下表面与第一低折射率介质层接触，第一石墨烯层的上表面与第二低折射率介质层接触，第二石墨烯层的上表面与第二低折射率介质层接触，第二石墨烯层的下表面与第一低折射率介质层接触。
本发明中，第一低折射率介质的折射率与第二低折射率介质的折射率相同或者第一低折射率介质的折射率高于第二低折射率介质的折射率。
本发明中，第一电极的上表面、第二电极的上表面和金属层的上表面均与第二低折射率层的上表面齐平。
本发明中，第一低折射率介质的折射率为1.0-2.2。
本发明中，第一低折射率介质为电介质，具体为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝或高分子聚合物。
本发明中，电容层的宽度小于第一石墨烯层宽度或第二石墨烯层宽度，优选地，电容层的宽度与金属层以及波导层的宽度相同。若第一石墨烯层和第二石墨烯层之间还存在空隙，则采用第一低折射率介质和/或第二低折射率介质予以填充。
本发明中，电容层的材质可以为二维材料或者具有良好性能的电介质，如包括硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
本发明中，电容层的材质具体为六角氮化硼。电容层的材质折射率适中、电容大小较为合适，且易于加工。
本发明中，电容层在第二方向上的宽度为100nm-500nm。
本发明中，电容层的厚度为3nm-20nm。
本发明中，第二低折射率介质的折射率为1.0-2.2。
本发明中，第二低折射率介质为电介质，如可以为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝或高分子聚合物。
本发明中，金属层嵌入第二低折射率介质层内，且金属层的上表面与第二低折射率层的上表面齐平。
本发明中，金属层的厚度为50nm-200nm。
本发明中，金属层在第二方向上的宽度为100nm-500nm。
本发明中，当波导层的材质包括贵金属时，波导层与金属波导层对称设置。即波导层和金属层的厚度、宽度也相同，为严格对称结构，此时可以实现场的最强局域，实现更好的调制深度，调制器性能最佳，但是本发明为非严格对称结构时，依然具有优良性能。
本发明中，当波导层的材质包括贵金属时，波导层和金属层在第二方向上的宽度均为100nm-500nm。
本发明中，当波导层的材质为高折射率介质时，波导层的宽度大于金属层的宽度。
本发明中，金属层的材质包括贵金属，如为金、银或铂。采用这样的材质可以达到最佳的场局域效果，进而实现更好的调制效果。
本发明中，第一电极或第二电极的材质为导电性能良好的金属材料，具体为金、银、铂或铜等。这有利于减小石墨烯和金属间的接触电阻，以提高调制器的调制带宽。
本发明中，基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器在第一方向上的长度为500nm-5μm。
本发明提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器可以采用常规的技术进行制备，如通过沉积的方法制备石墨烯层，采用磁控溅射的方法制备金属层、第一电极和第二电极。
本发明中，波导层、第一和/或第二低折射率层和金属波导层构成一个三明治波导结构，石墨烯层位于其中的第一和/或第二低折射率层之中。由于电子在金属表面的振荡，将光限制在低折射率材料区域，形成表面等离子体激元，使得光场的最强部分与石墨烯充分接触，达到很好的调制效果。这个三明治结构可以极大的增强广场局域效果，从而显著增强石墨烯和光场的相互作用。通过外加电场调控石墨烯化学势改变整个波导有效折射率的方式实现对光的调制。
本发明提供的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器具有以下有益效果：(1)采用杂化波导的场增强效果，本发明可以实现极高的调制深度；(2)由于石墨烯具有超快的载流子迁移速率，本发明可以实现超快的调制带宽，可以提高通信系统的效率；(3)本发明电容层电容比较小，同时工作的时候电压改变量比较小，因此能耗较低；(4)本发明具有较小的体积，能够满足光互联、光集成的要求，本发明电光调制器具有的平面波导结构能够很好的与其他器件进行集成。
实施例1：
为了表征整个调制器光学参数的变化，通常会计算整个波导的有效折射率的值。有效折射率实部表示整个调制器对光场的局域能力，引起光场相位变化，有效折射率的虚部表示调制器对光的吸收能力，对应着损耗。如果对实部的改变加以利用则可以让整个波导变成一个相位型调制器，对虚部加以利用则变成振幅型调制器。本实施例主要是利用虚部的振幅型调制器。
在本实施例中采用的参数为：衬底1和波导层3的材料为硅，波导层3的宽度为200nm，厚度为100nm；第一和第二折射率介质层2材料为二氧化硅，波导层3与金属层7之间的距离为20nm。电容层5则采用六角氮化硼，厚度为5nm，宽度为200nm。金属层7采用金属银，厚度100nm，宽度为200nm。第一和第二电极层则采用电阻较小的金，金和石墨烯的接触电阻参考值为400欧·微米。整个调制器的工作长度为3微米。调控所需要的电压可以从公式得出： 公式中μc表示化学势，表示归一化普朗克常数，vF≈1.1×106m/s表示费米速度，ε0表示真空介电常数，εr表示电容层5相对介电常数，Vg表示第一电极61和第二电极62之间的电压差，VDirac表示由于石墨制备过程中掺杂等因素造成的化学势所需要的电压，d表示电容层5的厚度，e表示电子电荷。3-dB调制深度可由f3dB＝1/(2πRC)得出，R表示整个器件的电阻，这里仅仅考虑占主导因素的金-石墨烯层的接触电阻，C表示器件的电容，这里采用平板电容的模型估算得出的值为3.13fF。利用公式平板电容器改变1bit所需能量的公式E＝1/4CΔV2估算的能耗为7.68fJ/bit。
在这套参数下，该调制器可以在1.55微米的波段，实现调制器的有效折射率虚部的大幅度变化，这些变化则对应着调制器对光的吸收强弱变化。如图3所示，其中实线代表有效折射率的虚部，从图中可以发现，在0-0.8电子伏特区间，大概在0.5电子伏特左右虚部有一个最大值，这表示在这个区间具有较大的损耗。从图4可以更加直观的看出来。调节化学势可以让整个波导(长度为1μm)的损耗从0.65dB/μm升高到13.25dB/μm，整个调制器(长度为3μm)可以实现损耗从1.95dB/μm到39.75dB/μm的动态调控。达到这种改变所需要的电压改变量仅需要3.13V。
本调制器的工作原理是：利用杂化波导的场增强和场局域的特性，将双层石墨烯置于杂化波导中可以让石墨烯和光场的相互作用达到最强。同时，不同化学势的石墨烯具有不同的光学吸收特性，通过外加电压的方式调节石墨烯的化学势，这样就达到通过外加电场实现控制石墨烯与光场相互作用强弱的目的。
实施例2：
在本实施例中采用的参数为：衬底1的材料为硅，波导层3的材料为银，波导层的宽度为100nm，厚度为200nm；第一和第二折射率介质层2材料为二氧化硅，波导层3与金属层7之间的距离为100nm。电容层5则采用六角氮化硼，宽度为150nm，厚度为20nm。金属层7采用金属银，厚度为200nm，宽度为150nm。金属层与波导层对称设置，第一和第二电极层则采用电阻较小的金，金和石墨烯的接触电阻参考值为400欧·微米。整个调制器的工作长度为1微米。
实施例3：
在本实施例中采用的参数为：衬底1的材料为硅，波导层3的材料为金，波导层的宽度为500nm，厚度为50nm；第一和第二折射率介质层2材料为二氧化硅，波导层3与金属层7之间的距离为50nm。电容层5则采用六角氮化硼，宽度固定在100nm，厚度固定在3nm。金属层7采用金属金，厚度为50nm，宽度为100nm。金属层与波导层对称设置，第一和第二电极层则采用电阻较小的金，金和石墨烯的接触电阻参考值为400欧·微米。整个调制器的工作长度为3微米。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，包括衬底、设置在所述衬底表面的波导层、以及依次设置在所述波导层上的第一石墨烯层、电容层、第二石墨烯层和金属层；
所述第一石墨烯层与所述波导层之间通过第一低折射率介质层隔离，所述第二石墨烯层与所述金属层之间通过第二低折射率介质层隔离，所述波导层、所述第一石墨烯层、所述电容层、所述第二石墨烯层和所述金属层在垂直于所述衬底方向上重叠；所述波导层材质包括高折射率介质或贵金属，所述高折射率介质的折射率高于第一低折射率介质和第二低折射率介质；所述金属层的材质包括贵金属；
所述石墨烯电光调制器还包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向与光传输方向平行；在所述第二方向上，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一石墨烯层的延伸端上设有第一电极，所述第二石墨烯层的延伸端上设有第二电极。
2.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一低折射率介质层设置于所述衬底的表面且覆盖所述波导层；所述金属层嵌入第二低折射率介质层内，且所述第二金属层的上表面与所述第二低折射率层的上表面齐平；所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的部分表面与所述电容层接触，其余的表面与所述第一低折射率介质层和/或所述第二低折射率介质层接触。
3.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述金属层的厚度为50nm-200nm，所述金属层在所述第二方向上的宽度为100nm-500nm。
4.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述波导层的厚度为50nm-200nm，所述波导层在所述第二方向上的宽度为100nm-500nm。
5.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述金属层和所述波导层之间的垂直距离为20nm-100nm。
6.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，当所述波导层的材质包括贵金属时，所述波导层与所述金属层对称设置。
7.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层的重叠宽度与所述金属层的宽度相同。
8.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一低折射率介质的折射率为1.0-2.2，所述第二低折射率介质的折射率为1.0-2.2，所述高折射率介质的折射率为2.3-10。
9.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述电容层的材质为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
10.如权利要求1所述的基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器在所述第一方向上的长度为500nm-5μm。
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