CN108873391A - 一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，包括混合等离子波导和石墨烯三明治结构，其中混合等离子波导由两个银波导和一个掩埋型硅波导组成。调制器由6层结构构成，从上至下依次为两个银等离子波导，氧化铝隔离层，石墨烯三明治结构，氧化铝隔离层，掩埋型硅波导，二氧化硅衬底。所述石墨烯三明治结构由上单层石墨烯、中间氧化铝隔离介质和下单层石墨烯组成。以及，所述的上下单层石墨烯分别与左右金属电极接触，所述上下单层石墨烯在左右金属电极的电信号作用下实现光调制器的开启和关闭。本发明可以实现高调制深度、低传输损耗、高调制带宽的光调制，可以在集成高速全光网络中获得应用。

Description

一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器
技术领域
本发明涉及一种基于掩埋型硅波导的混合等离子波导技术，属于石墨烯光电调制器技术领域。
背景技术
光调制器是高速、短距离光通信的关键。目前光调制器向着更高速，更宽带宽，更小的器件尺寸以及集成化的方向发展，传统的调制器已经不能跟上光纤通信发展的步伐。开发新型调制器的研究迫在眉急。
石墨烯是一种由碳原子以sp² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，由于其优异的电学和光学特性，引起了人们的广泛兴趣。石墨烯具有极高的电子迁移率，可用于制作高效率的光调制器。
石墨烯可以与高折射率介质波导或者谐振器结合制作高性能调制器。然而，对于这类调制器，由于光的模式限制在高折射率介质区，远离石墨烯与介质波导的界面，调制器中的光与石墨烯的相互作用自然减弱。表面等离子体极化（SPPs）具有更严格的空间约束和较高的局域场强，是制作高集成调制器的理想选择。将等离子波导与石墨烯相结合，它可以将SPPs波导的强局域场特性与石墨烯的超快调制速度结合起来，从而提高调制器的调制深度和调制带宽等性能。现阶段研究的等离子波导调制器很难在调制深度和传播损耗之间达到一个平衡，高调制深度必然带来较高的传播损耗，这样就会带来无法低损耗长距离传输的弊端。随着通讯技术的飞快发展，对高调制深度、低传输损耗、高调制带宽的调制器需求迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，解决现有的光调制器的无法实现高调制深度的同时保证较低传输损耗的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，包括混合等离子波导和石墨烯三明治结构，其中混合等离子波导由两个银波导和一个掩埋型硅波导组成。调制器由6层结构构成，从上至下依次为两个银等离子波导，氧化铝隔离层，石墨烯三明治结构，氧化铝隔离层，掩埋型硅波导，二氧化硅衬底。所述石墨烯三明治结构由上单层石墨烯、中间氧化铝隔离介质和下单层石墨烯组成。以及，所述的上下单层石墨烯分别与左右金属电极接触，所述上下单层石墨烯在左右金属电极的电信号作用下实现光调制器的开启和关闭。
作为本发明的一种优选，所述掩型硅波导与左右两边的银波导间距相同。
作为本发明的一种优选，所述上下单层石墨烯的重叠部分长度与两个银波导之间的间距相同。
作为本发明的一种优选，所述上下单层石墨烯的重叠部分中心和掩埋型硅波导中心在同一直线上。
本发明采用上述技术方案，能产生如下有益效果：
本发明提供的基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，采用了石墨烯材料与混合等离子波导的方式，由金属电极施加电压变化从而改变调制器开关状态，利用石墨烯可以通过通过化学掺杂或者外加电压改变化学势的特性，通过与上层石墨烯结构相接触的金属阴极和与下层石墨烯结构相接触的金属阳极给上下单层石墨烯施加电压，来改变石墨烯的化学势能，从而改变石墨烯对光的吸收能力，完成调制器的开关状态；
两个银等离子波导和掩埋型硅波导形成混合等离子波导结构，结合等离子波导高度局限性的特点和硅波导低传输损耗的特点，可以增强石墨烯与光场的相互作用，又能保证较低的传输损耗；
使用石墨烯二维纳米材料，可以保证高调制带宽的超快调制，可以在集成全光网络获得应用。
采用掩埋型硅波导，易于打磨平整，利于单层石墨烯的转移过程，防止单层石墨烯的破损。
并且，本发明可以与CMOS相兼容，其具有高调制深度、低传输损耗、高调制带宽、易于制作的特性和优点。
附图说明
图1是本发明基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器的结构示意图。
图2是本发明实例在19.3Thz，石墨烯0.6eV化学势下基模场图。
图3是本发明实例石墨烯0~1eV化学势与施加电压的曲线图。
图4是本发明实例在19.3Thz，石墨烯0~1eV不同化学势的模式衰减系数曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，包括混合等离子波导和石墨烯三明治结构，其中混合等离子波导由两个银波导和一个掩埋型硅波导组成。调制器由6层结构构成，从上至下依次为两个银等离子波导，氧化铝隔离层，石墨烯三明治结构，氧化铝隔离层，掩埋型硅波导，二氧化硅衬底。所述石墨烯三明治结构由上单层石墨烯、中间氧化铝隔离介质和下单层石墨烯组成。以及，所述的上下单层石墨烯分别与左右金属电极接触，所述上下单层石墨烯在左右金属电极的电信号作用下实现光调制器的开启和关闭。
本实施例中，优选采用所述两个银等离子波导和掩埋型硅波导形成混合等离子波导结构，结合等离子波导高度局限性的特点和硅波导低传输损耗的特点，可以增强石墨烯与光场的相互作用，又能保证较低的传输损耗。
掩埋型硅波导，易于打磨平整，利于所述单层石墨烯的转移过程，防止单层石墨烯的破损。
所述石墨烯三明治结构中上下单层石墨烯形成电容器结构，通过与上层石墨烯结构相接触的金属阴极和与下层石墨烯结构相接触的金属阳极给上下单层石墨烯施加电压，改变石墨烯的化学势能，从而改变石墨烯对光的吸收能力，完成调制器的功能。
本发明结构的光调制器原理是：采用了石墨烯材料与混合等离子波导的方式，由金属电极施加电压变化从而改变调制器开关状态。利用石墨烯可以通过通过化学掺杂或者外加电压改变化学势的特性，通过改变施加电压，来改变石墨烯的化学势能，从而改变石墨烯对光的吸收能力，完成调制器的开关状态。
在此基础上，本发明中所述掩型硅波导与左右两边的银波导间距相同。进一步地，所述上下单层石墨烯的重叠部分长度与两个银波导之间的间距相同。并且，所述上下单层石墨烯的重叠部分中心和掩埋型硅波导中心在同一直线上。
因此，本发明能够在实现高调制器深度的同时，保证较低的传输损耗和高的调制带宽。为了验证本发明能够实现该功能，特例举验证例进行说明。
本验证例是基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，为了实现，对单模掩埋型硅波导的尺寸也有相应的要求；本方案对单模掩埋型硅波导的尺寸设计如下：硅波导高度为220nm，宽度为150nm。
所述调制器结构如图1所示，相应的参数为：硅波导高度为220nm，宽度为150nm。金属银波导高度都为200nm，宽度都为300nm，之间间距为200nm。氧化铝隔离层间距都为10nm。
本发明实施例在19.3THz下，石墨烯化学势为0.6eV，采用COMSOL仿真软件进行模式分析，基模电场分布如图2所示，大部分电场都被束缚在石墨烯层上，说明本发明可以实现等离子波导的高局域场效应。
通过给石墨烯施加电压，可以改变石墨烯的化学势，从而改变石墨烯对光的吸收能力。石墨烯化学势与施加电压的关系如图3所示，当石墨烯化学势从0.2eV上升到0.6eV，需要施加偏压4.588V。
本发明实例在19.3THz频率下石墨烯不同化学势下的模式衰减系数曲线图如图4所示。可见随着石墨烯化学势从0.2eV提升到0.6eV，模式衰减系数从0.397dB/μm不断减小到0.089dB/μm。实现了0.308dB/μm的调制深度和0.089dB/μm的传输损耗。通过数值计算，可以计算出调制带宽为346GHz。
综上，本发明提供的基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，于掩埋型光波导的混合等离子波导，有效限制了光场，并且减小了传输损耗；使用石墨烯二维纳米材料，可以保证高调制带宽的超快调制，可以在集成全光网络获得应用。并且，本发明制作工艺可以与CMOS相兼容，其具有高调制深度、低传输损耗、高调制带宽、易于制作的特性和优点。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，其特征在于：包括混合等离子波导和石墨烯三明治结构，其中混合等离子波导由两个银波导和一个掩埋型硅波导组成；调制器由6层结构构成，从上至下依次为两个银等离子波导，氧化铝隔离层，石墨烯三明治结构，氧化铝隔离层，掩埋型硅波导，二氧化硅衬底；所述石墨烯三明治结构由上单层石墨烯、中间氧化铝隔离介质和下单层石墨烯组成，所述的上下单层石墨烯分别与左右金属电极接触，所述上下单层石墨烯在左右金属电极的电信号作用下实现光调制器的开启和关闭。
2.根据权利要求1所述基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，其特征在于：所述掩型硅波导与左右两边的银波导间距相同。
3.根据权利要求1所述基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，其特征在于：所述上下单层石墨烯的重叠部分长度与两个银波导之间的间距相同。
4.根据权利要求1所述基于掩埋型硅波导的石墨烯混合等离子调制器，其特征在于：所述上下单层石墨烯的重叠部分中心和掩埋型硅波导中心在同一直线上。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114597660A (zh) * 2022-03-08 2022-06-07 西安电子科技大学 一种多层混合等离子体纳米贴片的天线

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105700266A (zh) * 2016-04-15 2016-06-22 浙江大学 一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器
CN106200017A (zh) * 2016-08-25 2016-12-07 东南大学 一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器
CN106526904A (zh) * 2016-12-06 2017-03-22 深圳大学 一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器
CN106653957A (zh) * 2016-10-27 2017-05-10 中国科学院理化技术研究所 一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法
CN107147006A (zh) * 2017-06-21 2017-09-08 广西师范大学 基于石墨烯和脊型波导的表面等离子激光器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105700266A (zh) * 2016-04-15 2016-06-22 浙江大学 一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器
CN106200017A (zh) * 2016-08-25 2016-12-07 东南大学 一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器
CN106653957A (zh) * 2016-10-27 2017-05-10 中国科学院理化技术研究所 一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法
CN106526904A (zh) * 2016-12-06 2017-03-22 深圳大学 一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器
CN107147006A (zh) * 2017-06-21 2017-09-08 广西师范大学 基于石墨烯和脊型波导的表面等离子激光器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Y. DING ETC.: "Effective electro-optic modulation in low-loss graphene-plasmonic slot waveguides", 《NANOSCALE》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114597660A (zh) * 2022-03-08 2022-06-07 西安电子科技大学 一种多层混合等离子体纳米贴片的天线
CN114597660B (zh) * 2022-03-08 2023-05-12 西安电子科技大学 一种多层混合等离子体纳米贴片的天线

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