CN108873395A - 一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，属于光电子器件技术领域；本发明包括两个模式转换器以及条形直波导，所述模式转换器由三段锥型波导与两段直形波导组成；两个模式转换器能够实现低阶模式与高阶模式之间的转换，条形直波导能够传输高阶模式和低阶模式，条形直波导位于石墨烯调制区的部分包括上波导和下波导；当入射光为TE0模式时，本发明的调制器能够实现正常调制，当入射光为TM0模式时，入口端模式转换器会把TM0模式转为TE1模式，而TE1模式在调制区域同样能实现与TE0模式相同强度的调制效果。本发明在工艺与传统偏振敏感石墨烯调制器工艺相同的情况下，能够实现石墨烯偏振无关光调制，具有很好的CMOS工艺兼容性。

Description

一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器
技术领域
本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器。
背景技术
电光调制器实现电信号与光信号之间相互转换的器件，在光通信系统中有着至关重要的作用。传统基于硅掺杂的电光调制器性能已经接近极限状态，而新型的石墨烯二维材料为高速电光调制器的发展提供了新的机遇。石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，在未来可以用它来代替传统的半导体材料。在室温条件下石墨烯具有200000cm2/Vs的载流子迁移率，大约是硅材料的载流子迁移率100倍以上。石墨烯在外加电压作用下，其化学势及电导率会随之发生改变，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有零带隙结构，使他可以在非常宽的光波长范围内发挥作用。这些特殊的光电特性使得石墨烯在光电子器件方面具有广泛的应用前景。基于石墨烯的光学调制器已经得到了广泛的研究，都是基于在传统SOI波导中水平铺设石墨烯层，将偏置电压施加在石墨烯层上，以改变石墨烯本身的复折射率，从而改变对入射光的吸收强度达到入射光的相位或振幅调制。然而基于石墨烯的电光调制器具有明显的偏振敏感特性，通常石墨烯调制器只能对石墨烯面内偏振的入射光具有很好的调制效果。这样的特点不适用的器件的商业化进程。在以前的研究中已经报道一些关于石墨烯偏振无关电光调制的器件结构，但是大多具有繁琐的器件结构，不具有很好CMOS工艺兼容性。
发明内容
本发明的目的在于：为解决传统石墨烯调制器偏振敏感的问题，同时为解决传统石墨烯偏振无关电光调制器结构复杂、CMOS工艺不兼容的问题，本发明提供一种结构简单，且偏振不敏感的石墨烯电光调制器。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，包括衬底、石墨烯调制区、条形波导、电极一和电极二，石墨烯调制区内设有石墨烯层和介质层，条形波导包括依次一体成型的输入端模式转换器、条形直波导和输出端模式转换器，输入端模式转换器与输出端模式转换器的结构相同且对称设置；输入端模式转换器和输出端模式转换器能够实现低阶模式与高阶模式之间的转换；条形直波导能够传输高阶模式和低阶模式。
进一步地，所述输入端模式转换器与输出端模式转换器均包括依次一体成型的第一条形直波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导和第二条形直波导，第一锥形波导、第二锥形波导和第三锥形波导的宽度逐渐增大；第一条形直波导的宽度Win为单模宽度，第一条形波导在该宽度下只能稳定传输TE0模式和TM0模式；第二条形直波导的宽度W3大于TE1模式的截止宽度。
优选地，条形直波导位于石墨烯调制区的部分包括上波导和下波导，石墨烯调制区设置在上波导和下波导之间。
具体地，所述石墨烯层的厚度可以是单原子层厚度，也可以是多原子层厚度。
优选地，所述介质层为三氧化二铝、硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物中的一种或几种。
优选地，所述电极一、电极二的材料为钯、金、银、铂或铜中的一种或几种。
优选地，所述衬底材料为二氧化硅。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的模式转换结构利用了石墨烯调制区对TE0模式和TE1模式的入射光都具有相近的光吸收调谐特性，石墨烯调制区只需要与传统偏振敏感的石墨烯调制区一样，即把石墨烯层水平嵌入在波导中，就能实现偏振无关光调制。与传统石墨烯偏振无关光调制器相比，具有更简单的结构，CMOS工艺兼容性更好，便于加工，便于集成；结构更紧凑，器件尺寸更小，性能稳定。
2、由于调制区域波导宽度为多模波导宽度，石墨烯与光的作用域也会明显增强，所以本发明不仅解决了石墨烯调制器偏振敏感问题，同时也增强了石墨烯的调制性能，例如调制深度更大，调制区长度更短等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的立体示意图；
图2是本发明的俯视示意图；
图3是本发明石墨烯调制区域处侧面剖视图；
图4是本发明模式转换器俯视示意图；
图5是本发明实施例汇总石墨烯调制区处多模波导中TE0、TE1模式有效折射率实部和虚部随化学势(μ)的变化情况图；
图6是不同波长下，TE0模式和TE1模式的调制深度以及其差值变化情况图；
图中标记：1-衬底，2-输入端模式转换器，3-电极一，4-石墨烯调制区，5-条形直波导，6-输出端模式转换器，7-第一石墨烯层，8-第二石墨烯层，9-介质层，10-电极二，11-第一条形直波导，12-第一锥形波导，13-第二锥形波导，14-第三锥形波导，15-第二条形直波导。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本具体实施方式所指的左、右就是图1-图3中的左、右，只是代表各个部件之间的相对位置。
为解决传统石墨烯调制器偏振敏感的问题，同时为解决传统石墨烯偏振无关电光调制器结构复杂、CMOS工艺不兼容的问题，本发明提供一种结构简单、偏振不敏感的石墨烯电光调制器。本发明的方案是利用石墨烯调制区对TE0模式和TE1模式的调制效果相同的原理，将TM0模式的入射光进行转换进而进行调制。
下面，将结合本发明最优选的实施例和附图对本发明进行更加清楚、完整的说明。
如图1-图3所示，本实施例的基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，包括衬底1、石墨烯调制区4、条形波导、电极一3和电极二10。对于衬底1和条形波导的位置关系而言，条形波导可以完全位于衬底1的上方，也可以完全位于衬底的内部，也可以一部分(上半部分)位于衬底上方，一部分(下半部分)嵌入衬底内部，本实施例中，选择上述的第三种情况，以便于石墨烯平整铺设在条形波导中心处。
与现有技术相同的是，石墨烯调制区4中同样有两层石墨烯层(石墨烯层数也可以为四层)和多层介质层9，介质层9用于分隔开两次石墨烯层、以及用于分隔石墨烯层与条形波导，两层石墨烯层分别为第一石墨烯层7和第二石墨烯层8，第一石墨烯层7和第二石墨烯层8向两侧延伸距离为1μm并分别与电极一3和电极二10接触。这些都为现有技术，在此不作过多详细的说明。
本实施例中衬底1的材料为SiO2，上包层材料为覆盖在条形波导外表的一层材料，上包层材料的折射率与衬底材料的折射率不同，比如为Si3N4、硫系玻璃或空气等，本实施例上包层材料为空气。整个条形波导的均为Si；介质层9的材料为三氧化二铝、硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物中的一种或几种，本实施例中选择的是六方氮化硼；电极一3、电极二10的材料为钯、金、银、铂或铜中的一种或几种，本实施例中选择的是Pd/Au。
条形波导包括依次一体成型的输入端模式转换器2、条形直波导5和输出端模式转换器6；输入端模式转换器2与输出端模式转换器6的结构相同且对称设置；输入端模式转换器2和输出端模式转换器6能够实现低阶模式与高阶模式之间的转换；条形直波导5能够传输高阶模式和低阶模式。本实施例的条形直波导5位于石墨烯调制区4的部分包括上波导和下波导，石墨烯调制区4设置在上波导和下波导之间，石墨烯调制区4的长度Lg＝100μm，石墨烯调制区4的宽度与整个衬底的宽度相同。所述石墨烯调制区4中嵌入的石墨烯层的厚度可以是单原子层厚度，也可以是多层原子层厚度；本实施例中的两层石墨烯的间距为50nm。
输入端模式转换器2与输出端模式转换器6均为锥型波导模式转换器，如图4所示，其具体结构为：所述输入端模式转换器2与输出端模式转换器6均包括依次一体成型的第一条形直波导11、第一锥形波导12、第二锥形波导13、第三锥形波导14和第二条形直波导15，第一锥形波导12、第二锥形波导13和第三锥形波导14的宽度逐渐增大。具体尺寸为:第一条形直波导的宽度Win＝0.6μm，第二条形直波导的宽度0.6μm，第一锥形波导末尾端的宽度W1＝0.69μm，第二锥形波导末尾端的宽度W2＝0.74μm，第三锥形波导末尾端的宽度W3＝1.5μm，第一锥形波导从左至右(或从右至左)的长度L1＝10μm，第二锥形波导从左至右(或从右至左)L2＝50μm，第三锥形波导从左至右(或从右至左)L3＝10μm。整个模式转换器的高度和条形直波导的高度hco＝0.25μm。其中，平行段的宽度Win为单模宽度，条形波导在该宽度下只能稳定传输TE0模式和TM0模式；第二条形直波导15的宽度W3大于TE1模式的截止宽度。条形直波导5的宽度Wg＝1.5μm，长度Lg＝100μm，同样的，条形直波导宽度Wg大于TE1模式的截止宽度。
本实施例中，输入端模式转换器2与输出端模式转换器6的尺寸相同，形状相同，并且，输入端模式转换器2和输出端模式转换器6的平行段端口均位于衬底边缘。
值得说明的是，输入端模式转换器2和输出端模式转换器6由于尺寸形状完全相同，输入端模式转换器2也可以作为输出端，输出端模式转换器6也可以作为输入端，本发明只是为了方便表述，才将其中它们分别命名为输入端和输出端。
本发明的核心原理为：入射光从输入端模式转换器2射入，当入射光为TE0模式时，TE0模式的入射光，不会输入端模式转换器2影响而发生模式转变，仍为TE0模式；如果入射光为TM0模式，输入端模式转换器2会把TM0模式转为TE1模式，而TE0与TE1模式在调制区域具有相同调制效果，具体效果如图5所示。应当理解的是，输入端模式转换器2也可以把TM0模式转为比TE1模式更高的高阶模式，这取决于输入端模式转换器2的宽度(尤其是W3)的宽度，但是，考虑到尺寸问题，最优选的是将TM0模式转为TE1模式即可。在经过石墨烯调制区4后，光再从输出端模式转换器6输出。因此无论是TE0，还是TM0模式均能被外加电压调制，且都能得到很高的调制深度，如图6所示。所以本发明能够实现石墨烯偏振无关光调制，同时器件的加工工艺也更为简单，便于商业化生产。
总体而言，本发明利用石墨烯调制区4对TE0模式和TE1模式的入射光都具有相近的光吸收调谐特性，设计出的基于模式转换的石墨烯偏振无关电光调制器，具有结构简单，偏振不敏感，消光比高，调谐速度快，CMOS工艺兼容等优点，这些优点能够促进石墨烯调制器的商业化进程。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，包括衬底(1)、石墨烯调制区(4)、条形波导、电极一(3)和电极二(10)，石墨烯调制区(4)内设有石墨烯层和介质层(9)，其特征在于：条形波导包括依次一体成型的输入端模式转换器(2)、条形直波导(5)和输出端模式转换器(6)，输入端模式转换器(2)与输出端模式转换器(6)的结构相同且对称设置；输入端模式转换器(2)和输出端模式转换器(6)能够实现低阶模式与高阶模式之间的转换；条形直波导(5)能够传输高阶模式和低阶模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，其特征在于：所述输入端模式转换器(2)与输出端模式转换器(6)均包括依次一体成型的第一条形直波导(11)、第一锥形波导(12)、第二锥形波导(13)、第三锥形波导(14)和第二条形直波导(15)，第一锥形波导(12)、第二锥形波导(13)和第三锥形波导(14)的宽度逐渐增大；第一条形直波导(11)的宽度Win为单模宽度；第二条形直波导(15)的宽度W3大于TE1模式的截止宽度。
3.根据权利要求1所述的一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，其特征在于：条形直波导(5)位于石墨烯调制区(4)的部分包括上波导和下波导，石墨烯调制区(4)设置在上波导和下波导之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，其特征在于：所述石墨烯层的厚度可以是单原子层厚度，也可以是多原子层厚度。
5.根据权利要求1所述的一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，其特征在于：所述介质层(9)为三氧化二铝、硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，其特征在于：所述电极一(5)、电极二(10)的材料为钯、金、银、铂或铜中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种基于模式转换的石墨烯偏振无关光调制器，其特征在于：所述衬底(1)的材料为二氧化硅。
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