CN108181735A - 一种石墨烯电光调制器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电光调制器，提供了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包括：衬底、形成于所述衬底上的双层石墨烯垂直狭缝光波导结构、第一电极、第二电极、光输入端以及光输出端，所述双层石墨烯垂直狭缝光波导结构包括由第一高折射率材料层、低折射率材料层、第二高折射率材料层组成的垂直狭缝光波导、第一石墨烯层、绝缘材料层、第二石墨烯层。实施本发明实施例，狭缝光波导可以增强对TE模式的限制作用，使得TE模式的模场在狭缝区域分布增多，有利于增强与上层覆盖的双层石墨烯的相互作用，提高了调制器的调制效率。由双层石墨烯制成的光调制器，其载流子的迁移速率较快，可以调高调制器的响应速率。

Description

一种石墨烯电光调制器及其制备方法
技术领域
本发明属于电光调制器领域，尤其涉及一种石墨烯电光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。光学调制器是利用材料具有热光效应、电光效应、磁光效应、电吸收效应，来调制光的相位、振幅、偏振。通常设计的器件类型有马赫—策德尔干涉仪、环谐振器、锗基电吸收调制器，但他们都存在很多缺点，如：调制效率不高、响应速率慢、操作带宽小、温度敏感、体积大等。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种石墨烯电光调制器及其制备方法，以解决现有技术电光调制器体积较大、电光调制效率低的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种石墨烯电光调制器，所述石墨烯电光调制器包括：
衬底、形成于所述衬底上的双层石墨烯垂直狭缝光波导结构、第一电极、第二电极、光输入端以及光输出端，所述双层石墨烯垂直狭缝光波导结构包括由第一高折射率材料层、低折射率材料层、第二高折射率材料层组成的垂直狭缝光波导、第一石墨烯层、绝缘材料层、第二石墨烯层，所述双层石墨烯垂直狭缝光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双层石墨烯垂直狭缝光波导结构的延伸端，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。
进一步的，所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层的材料的折射率为1.8～4.2，所述低折射率材料层的折射率为1.0～2.5，所述第一电极以及第二电极的材质包括：金、银、铝、钛、铬、镍、铜。
进一步的，所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层的材料包括：砷化镓、锗、硅、氮化硅。
进一步的，所述低折射率材料层的材料包括：二氧化硅、氮化硼、氮化硅。
进一步的，所述第一高折射率材料层的厚度为150～1000nm，第二高折射率材料层的厚度为150～1000nm，第一高折射率材料层和第二高折射率材料层在第二方向上的宽度为150～800nm。
进一步的，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，第一石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm，第二石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm。
进一步的，所述低折射率材料层的宽度为10～400nm，所述绝缘材料层的厚度为1～150nm。
进一步的，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层在第二方向上的宽度为200～3000nm，所述第一石墨烯层的延伸端形成于衬底上，第二石墨烯层的延伸端形成于绝缘材料层上。
进一步的，所述第一高折射率材料层与第一电极之间的距离为300～3000nm，第二高折射率层与第二电极之间的距离为300～3000nm。
本发明实施例的另一目的在于提供一种石墨烯电光调制器的制备方法，所述制备方法包括：
通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底上的有硅基片进行处理，制备第一高折射率材料层和第二高折射率材料层；
在所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层之间形成的狭缝区域，沉积低折射率材料层，并进行平坦化处理；
将石墨烯薄膜转移到第一高折射率材料层、第二高折射率材料层以及狭缝区域上形成第一石墨烯层，所述第一石墨烯层包括突出于所述第一高折射率层一侧的延伸端，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；
在所述第一石墨烯层上沉积制备绝缘材料层，将石墨烯薄膜转移到所述绝缘材料层上形成第二石墨烯层，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。
附图说明
图1为本发明一示例性实施例示出的一种石墨烯电光调制器的结构图；
图2为本发明一示例性实施例示出的石墨烯电光调制器的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例示出的石墨烯狭缝光波导TE和TM模式的模场分布示意图。
附图标记
10：衬底
102：低折射率覆盖层
201：第一高折射率材料层
202：低折射率材料层
203：第二高折射率材料层
204：第一石墨烯层
205：绝缘材料层
206：第二石墨烯层
301：第一电极
302：第二电极
具体实施方式
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示为本发明一示例性实施例示出的一种石墨烯电光调制器的结构图，所述石墨烯电光调制器，包括：
衬底、形成于所述衬底上的双层石墨烯垂直狭缝光波导结构、第一电极、第二电极、光输入端以及光输出端，所述双层石墨烯垂直狭缝光波导结构包括由第一高折射率材料层、低折射率材料层、第二高折射率材料层组成的垂直狭缝光波导、第一石墨烯层、绝缘材料层、第二石墨烯层，所述双层石墨烯垂直狭缝光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双层石墨烯垂直狭缝光波导结构的延伸端，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。
在本发明实施例中，石墨烯电光调制器包括：衬底、形成于衬底上的双层石墨烯垂直狭缝光波导结构、第一电极、第二电极、光输入端以及光输出端，其中双层石墨烯垂直狭缝光波导结构包括由第一高折射率材料层、低折射率材料层、第二高折射率材料层组成的垂直狭缝光波导、第一石墨烯层、绝缘材料层、第二石墨烯层。在具体的结构上，双层石墨烯垂直狭缝光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，其中一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接，在第二方向上，第一石墨烯层与第二石墨烯层包括突出于基于双层石墨烯垂直狭缝光波导结构的延伸端，第一电极形成于第一石墨烯层的延伸端上，第二电极形成于第二石墨烯层的延伸端上。
其中，第一高折射率材料层和第二高折射率材料层的材料的折射率为1.8～4.2，低折射率材料层的折射率为1.0～2.5，第一电极以及第二电极的材质包括但不限于：金、银、铝、钛、铬、镍、铜。
其中，第一高折射率材料层和第二高折射率材料层的材料包括但不限于：砷化镓、锗、硅、氮化硅。
其中，低折射率材料层的材料包括但不限于：二氧化硅、氮化硼、氮化硅。
其中，第一高折射率材料层的厚度为150～1000nm，第二高折射率材料层的厚度为150～1000nm。
其中，第一高折射率材料层和第二高折射率材料层在第二方向上的宽度为150～800nm。
其中，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。
其中，第一石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm，第二石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm。
其中，低折射率材料层的宽度为10～400nm。
其中，绝缘材料层的厚度为1～150nm。
其中，第一石墨烯层和第二石墨烯层在第二方向上的宽度为200～3000nm。
其中，第一高折射率材料层与第一电极之间的距离为300～3000nm，第二高折射率层与第二电极之间的距离为300～3000nm。
其中，第一石墨烯层的延伸端形成于衬底上，第二石墨烯层的延伸端形成于绝缘材料层上。
本发明实施例，狭缝光波导可以增强对TE模式的限制作用，使得TE模式的模场在狭缝区域分布增多，有利于增强与上层覆盖的双层石墨烯的相互作用，提高了调制器的调制效率。由双层石墨烯制成的光调制器，其载流子的迁移速率较快，可以调高调制器的响应速率。将石墨烯设置在平坦化的衬底上，有利于改善转移后的石墨烯的质量，提高石墨烯迁移速率和调制器的响应速率，而双层石墨烯下鞥波导调制器结构，可以减少器件的整体电阻和电容，进一步提高调制器的性能。
如图2所示为本发明一示例性实施例示出的石墨烯电光调制器的制备方法的流程图，所述制备方法包括：
步骤S201，通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底上的有硅基片进行处理，制备第一高折射率材料层和第二高折射率材料层；
步骤S202，在所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层之间形成的狭缝区域，沉积低折射率材料层，并进行平坦化处理；
步骤S203，将石墨烯薄膜转移到第一高折射率材料层、第二高折射率材料层以及狭缝区域上形成第一石墨烯层，所述第一石墨烯层包括突出于所述第一高折射率层一侧的延伸端，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；
步骤S204，在所述第一石墨烯层上沉积制备绝缘材料层，将石墨烯薄膜转移到所述绝缘材料层上形成第二石墨烯层，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。
如图3所示为本发明实施例示出的石墨烯狭缝光波导TE和TM模式的模场分布示意图。
本领域普通技术人员可以理解为上述实施例所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
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 (10)

1.一种石墨烯电光调制器，其特征在于，所述石墨烯电光调制器包括：
衬底、形成于所述衬底上的双层石墨烯垂直狭缝光波导结构、第一电极、第二电极、光输入端以及光输出端，所述双层石墨烯垂直狭缝光波导结构包括由第一高折射率材料层、低折射率材料层、第二高折射率材料层组成的垂直狭缝光波导、第一石墨烯层、绝缘材料层、第二石墨烯层，所述双层石墨烯垂直狭缝光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双层石墨烯垂直狭缝光波导结构的延伸端，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所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层的材料的折射率为1.8～4.2，所述低折射率材料层的折射率为1.0～2.5，所述第一电极以及第二电极的材质包括：金、银、铝、钛、铬、镍、铜。
3.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层的材料包括：砷化镓、锗、硅、氮化硅。
4.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述低折射率材料层的材料包括：二氧化硅、氮化硼、氮化硅。
5.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层的厚度为150～1000nm，第二高折射率材料层的厚度为150～1000nm，第一高折射率材料层和第二高折射率材料层在第二方向上的宽度为150～800nm。
6.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，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，第一石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm，第二石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm。
7.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述低折射率材料层的宽度为10～400nm，所述绝缘材料层的厚度为1～150nm。
8.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层在第二方向上的宽度为200～3000nm，所述第一石墨烯层的延伸端形成于衬底上，第二石墨烯层的延伸端形成于绝缘材料层上。
9.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于，所述第一高折射率材料层与第一电极之间的距离为300～3000nm，第二高折射率层与第二电极之间的距离为300～3000nm。
10.一种石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底上的有硅基片进行处理，制备第一高折射率材料层和第二高折射率材料层；
在所述第一高折射率材料层和第二高折射率材料层之间形成的狭缝区域，沉积低折射率材料层，并进行平坦化处理；
将石墨烯薄膜转移到第一高折射率材料层、第二高折射率材料层以及狭缝区域上形成第一石墨烯层，所述第一石墨烯层包括突出于所述第一高折射率层一侧的延伸端，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；
在所述第一石墨烯层上沉积制备绝缘材料层，将石墨烯薄膜转移到所述绝缘材料层上形成第二石墨烯层，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。
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