CN109375389B - 一种石墨烯电光调制器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯电光调制器及其制备方法，涉及电光调制器领域，其包括衬底以及形成于衬底上的马赫泽德干涉仪结构；所述马赫泽德干涉仪结构包括石墨烯垂直混合等离子光波导；所述石墨烯垂直混合等离子光波导包括：第一高折射率材料层、第二高折射率材料层、第二金属电极材料层、第一低折射率材料层、第二低折射率材料层、第二石墨烯材料层、绝缘材料层、第一石墨烯材料层以及第三石墨烯材料层。该调制器可实现高调节效率和带宽。

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，具体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。通常设计的器件结构类型有马赫泽德干涉仪、微环谐振器、光子晶体，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、对温度变化敏感、体积大等。
石墨烯作为一种新型材料具有优异的光电子学特性，例如，宽带光响应、与光的强相互作用，超快载流子迁移速率等，结合硅基光波导结构，可以实现对光的宽带、高效调制。石墨烯光调制器的基本原理是通过外部驱动电压调节石墨烯的费米能级(能带结构)，实现光强度变化(即开关)。
鉴于现有技术中存在的光学调制器的上述缺点，目前存在的问题是急需研究开发一种通过增强石墨烯和光的相互作用来提高调制效率和调制宽带的石墨烯电光调制器及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯电光调制器及其制备方法。本发明提供的石墨烯电光调制器中包含垂直混合等离子光波导结构，该结构可以使得TE模式的模场在高折射率材料层与第二金属电极材料层之间的狭缝区域分布增多，有利于增强与其上层覆盖的双层石墨烯的相互作用，提高调制效率；同时该结构使得器件整体电容更低，从而使调制器拥有更高的电光调制带宽。
为达到以上目的，本发明第一方面提供了一种石墨烯电光调制器，其包括：
衬底，其长度、宽度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；以及形成于所述衬底上的马赫泽德干涉仪结构；
其中，所述马赫泽德干涉仪结构包括石墨烯垂直混合等离子光波导，所述石墨烯垂直混合等离子光波导在所述第II方向上包括：第二金属电极材料层；位于所述第二金属电极材料层两侧的第一高折射率材料层和第二高折射率材料层；位于所述第一高折射率材料层与所述第二金属电极材料层之间的第一低折射率材料层和位于所述第二金属电极材料层与所述第二高折射率材料层之间的第二低折射率材料层；以及彼此分离的第一石墨烯材料层、第二石墨烯材料层和第三石墨烯材料层；
所述第二石墨烯材料层位于所述第二金属电极材料层上且其两端分别延伸至所述第一高折射率材料层和所述第二高折射率材料层的至少部分表面上；
所述第一石墨烯材料层的一端至少延伸至所述第一低折射率材料层靠近所述第二金属电极材料层的侧边；
所述第三石墨烯材料层的一端至少延伸至所述第二低折射率材料层靠近所述第二金属电极材料层的侧边。
在上述技术方案的基础上，所述石墨烯垂直混合等离子光波导还包括绝缘材料层，所述绝缘材料层位于所述第一石墨烯材料层和所述第三石墨烯材料层的下方区域内所有结构的表面上。
在上述技术方案的基础上，所述马赫泽德干涉仪结构还包括位于所述石墨烯垂直混合等离子光波导在所述第II方向两侧的第一金属电极材料层和第三金属电极材料层。
在上述技术方案的基础上，所述第一石墨烯材料层的另一端延伸至所述第一金属电极材料层的至少部分表面上；
所述第三石墨烯材料层的另一端延伸至所述第三金属电极材料层的至少部分表面上。
在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层的折射率相同或不相同，各自独立地为1.8-4.2；
所述第一低折射率材料层与所述第二低折射率材料层的折射率相同或不相同，各自独立地为1.0-2.5。
在上述技术方案的基础上，所述第一石墨烯材料层、所述第二石墨烯材料层与所述第三石墨烯材料层在所述第III方向上的长度相同或不相同，各自独立地为0.35-3.5nm；
所述第一石墨烯材料层、所述第二石墨烯材料层与所述第三石墨烯材料层在所述第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为1-800um。
在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层与所述第一金属电极材料层在所述第II方向上的距离为550-3000nm，所述第二高折射率材料层与所述第三金属电极材料层在所述第II方向上的距离为550-3000nm。
在上述技术方案的基础上，所述马赫泽德干涉仪结构还包括位于所述石墨烯垂直混合等离子光波导在所述第I方向两侧的第一锥形耦合过渡区和第二锥形耦合过渡区。
在上述技术方案的基础上，所述石墨烯电光调制器还包括光输入端和光输出端，且所述马赫泽德干涉仪结构形成于所述光输入端和所述光输出端之间。
本发明第二方面提供了一种根据本发明第一方面所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其包括如下步骤：
分别在所述衬底的表面上形成第一高折射率材料层和第二高折射率材料层；
分别在所述衬底的表面两端以及所述第一高折射率材料层与所述第二高折射率材料层之间的衬底表面上形成第一金属电极材料层、第三金属电极材料层以及第二金属电极材料层；
分别在所述衬底的表面上且位于所述第一高折射率材料层与所述第二金属电极材料层之间的狭缝区域以及在所述衬底的表面上且位于所述第二金属电极材料层与所述第二高折射率材料层之间的狭缝区域沉积第一低折射率材料层和第二低折射率材料层；
在所述第一高折射率材料层表面、所述第一低折射率材料层表面、所述第二金属电极材料层表面、所述第二低折射率材料层表面以及所述第二高折射率材料层表面上沉积石墨烯，利用氧离子刻蚀方法，得到形成于所述第一低折射率材料层表面、所述第二金属电极材料层表面以及所述第二低折射率材料层表面上，且两端分别延伸至所述第一高折射率材料层和所述第二高折射率材料层的至少部分表面上的第二石墨烯材料层；
在所述第一金属电极材料层与所述第三金属电极材料层之间的结构表面上沉积绝缘材料层；
在所述第一金属电极材料层表面、所述绝缘材料层表面以及所述第三金属电极材料层表面上沉积石墨烯，利用氧离子刻蚀方法，分别得到形成于所述第一金属电极材料层与第二金属电极材料层之间的绝缘材料层的表面上并延伸至所述第一金属电极材料层的至少部分表面上的第一石墨烯材料层，以及形成于所述第二金属电极材料层与所述第三金属电极材料层之间的绝缘材料层的表面上并延伸至所述第三金属电极材料层的至少部分表面上的第三石墨烯材料层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的石墨烯电光调制器包含石墨烯垂直混合等离子光波导结构，该结构使得石墨烯电光调制器具有更高的调制效率以及更高的电光调制带宽，理论上3dB电光调制带宽可达到200GHz以上；
(2)本发明提供的石墨烯电光调制器的制备方法在衬底表面上依次形成第一高折射率材料层、第二高折射率材料层、第一金属电极材料层、第二金属电极材料层、第三金属电极材料层、第一低折射率材料层、第二低折射率材料层、第二石墨烯材料层、绝缘材料层、第一石墨烯材料层和第二石墨烯材料层，该制备方法简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例中的石墨烯电光调制器的结构图；
图2为图1中沿C-C处剖面图；
图3为本发明实施例中的石墨烯电光调制器的制备方法的流程图。
图中，相同的结构采用相同的附图标记表示，附图标记的含义如下：
10-衬底，11-马赫泽德干涉仪结构，12-第一锥形耦合过渡区，13-第二锥形耦合过渡区，14-石墨烯垂直混合等离子光波导；301-第一金属电极材料层，303-第三金属电极材料层，a-光输入端，b-光输出端；
201-第一高折射率材料层，202-第二高折射率材料层，302-第二金属电极材料层，401-第一低折射率材料层，402-第二低折射率材料层，501-绝缘材料层，601-第一石墨烯材料层，602-第二石墨烯材料层，603-第三石墨烯材料层。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，以下结合附图及具体实施例来详细说明本发明。应当理解，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明提供了一种石墨烯电光调制器，其包括：
衬底10，其长度、宽度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；以及形成于衬底10上的马赫泽德干涉仪结构11；
其中，马赫泽德干涉仪结构11包括石墨烯垂直混合等离子光波导14，石墨烯垂直混合等离子光波导14在第II方向上包括(参见图2)：
第二金属电极材料层302；
位于第二金属电极材料层302两侧的第一高折射率材料层201和第二高折射率材料层202；
位于第一高折射率材料层201与第二金属电极材料层302之间的第一低折射率材料层401和位于第二金属电极材料层302与第二高折射率材料层202之间的第二低折射率材料层402；以及
彼此分离的第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602和第三石墨烯材料层603；
第二石墨烯材料层602位于第二金属电极材料层302上且其两端分别延伸至第一高折射率材料层201和第二高折射率材料层202的至少部分表面上；
第一石墨烯材料层601的一端至少延伸至第一低折射率材料层401靠近第二金属电极材料层302的侧边；
第三石墨烯材料层603的一端至少延伸至第二低折射率材料层402靠近第二金属电极材料层302的侧边。
优选地，石墨烯垂直混合等离子光波导14还包括绝缘材料层501，绝缘材料层501位于第一石墨烯材料层601和第三石墨烯材料层603的下方区域内所有结构的表面上。
优选地，马赫泽德干涉仪结构11还包括位于石墨烯垂直混合等离子光波导14在第II方向两侧的第一金属电极材料层301和第三金属电极材料层303。
优选地，第一石墨烯材料层601的另一端延伸至第一金属电极材料层301的至少部分表面上。
优选地，第三石墨烯材料层603的另一端延伸至第三金属电极材料层303的至少部分表面上。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202的折射率相同或不相同，各自独立地为1.8-4.2。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202的材料相同或不相同，各自独立地包括砷化镓、锗、硅和氮化硅中的一种或多种。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202在第III方向上的长度相同或不相同，各自独立地为150-1000nm。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202在第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为150-800nm。
优选地，第一低折射率材料层401与第二低折射率材料层402的折射率相同或不相同，各自独立地为1.0-2.5。
优选地，第一低折射率材料层401与第二低折射率材料层402的材料相同或不相同，各自独立地包括二氧化硅、氮化硼和氮化硅中的一种或多种。
优选地，第一低折射率材料层401与第二低折射率材料层402在第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为10-200nm。
优选地，第一金属电极材料层301、第二金属电极材料层302和第三金属电极材料层303的材质相同或不相同，各自独立地包括金、银、铝、钛、铬、镍和铜中的一种或多种。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602和第三石墨烯材料层603中的石墨烯各自独立地为单层或多层石墨烯。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602与第三石墨烯材料层603在第III方向上的长度相同或不相同，各自独立地为0.35-3.5nm。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602与第三石墨烯材料层603在第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为1-800um。
优选地，第一高折射率材料层201与第一金属电极材料层301在第II方向上的距离为550-3000nm，第二高折射率材料层202与第三金属电极材料层303在第II方向上的距离为550-3000nm。
优选地，马赫泽德干涉仪结构11还包括位于石墨烯垂直混合等离子光波导14在第I方向两侧的第一锥形耦合过渡区12和第二锥形耦合过渡区13。
优选地，石墨烯电光调制器还包括光输入端a和光输出端b，且马赫泽德干涉仪结构11形成于光输入端a和光输出端b之间。
如图3所示，本发明还提供了一种石墨烯电光调制器的制备方法，其包括如下步骤：
S1，分别在衬底10的表面上形成第一高折射率材料层201和第二高折射率材料层202。
优选地，在步骤S1中，采用电子束曝光方法和电感等离子刻蚀方法对衬底10上的有硅基片进行处理，制备第一高折射率材料层201和第二高折射率材料层202。
S2，分别在衬底10的表面两端以及第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202之间的衬底10表面上形成第一金属电极材料层301、第三金属电极材料层303以及第二金属电极材料层302。
S3，分别在衬底10的表面上且位于第一高折射率材料层201与第二金属电极材料层302之间的狭缝区域以及在衬底10的表面上且位于第二金属电极材料层302与第二高折射率材料层202之间的狭缝区域沉积第一低折射率材料层401和第二低折射率材料层402。
S4，在第一高折射率材料层201表面、第一低折射率材料层401表面、第二金属电极材料层302表面、第二低折射率材料层402表面以及第二高折射率材料层202表面上沉积石墨烯，利用氧离子刻蚀方法，得到形成于第一低折射率材料层401表面、第二金属电极材料层302表面以及第二低折射率材料层402表面上，且两端分别延伸至第一高折射率材料层201和第二高折射率材料层202的至少部分表面上的第二石墨烯材料层602。
S5，在第一金属电极材料层301与第三金属电极材料层303之间的结构表面上沉积绝缘材料层501。
S6，在第一金属电极材料层301表面、绝缘材料层501表面以及第三金属电极材料层303表面上沉积石墨烯，利用氧离子刻蚀方法，分别得到形成于第一金属电极材料层301与第二金属电极材料层302之间的绝缘材料层501的表面上并延伸至第一金属电极材料层301的至少部分表面上的第一石墨烯材料层601，以及形成于第二金属电极材料层302与第三金属电极材料层303之间的绝缘材料层501的表面上并延伸至第三金属电极材料层303的至少部分表面上的第三石墨烯材料层603。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602以及第三石墨烯材料层603可以直接采用市售的石墨烯薄膜制得，或通过本领域常规方法提前预制得，然后将其转移到需要沉积的位置，再通过氧离子刻蚀方法得到第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602以及第三石墨烯材料层603。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202的折射率相同或不相同，各自独立地为1.8-4.2。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202的材料相同或不相同，各自独立地包括砷化镓、锗、硅和氮化硅中的一种或多种。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202在第III方向上的长度相同或不相同，各自独立地为150-1000nm。
优选地，第一高折射率材料层201与第二高折射率材料层202在第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为150-800nm。
优选地，第一低折射率材料层401与第二低折射率材料层402的折射率相同或不相同，各自独立地为1.0-2.5。
优选地，第一低折射率材料层401与第二低折射率材料层402的材料相同或不相同，各自独立地包括二氧化硅、氮化硼和氮化硅中的一种或多种。
优选地，第一低折射率材料层401与第二低折射率材料层402在第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为10-200nm。
优选地，第一金属电极材料层301、第二金属电极材料层302和第三金属电极材料层303的材质相同或不相同，各自独立地包括金、银、铝、钛、铬、镍和铜中的一种或多种。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602和第三石墨烯材料层603中的石墨烯各自独立地为单层或多层石墨烯。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602与第三石墨烯材料层603在第III方向上的长度相同或不相同，各自独立地为0.35-3.5nm。
优选地，第一石墨烯材料层601、第二石墨烯材料层602与第三石墨烯材料层603在第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为1-800um。
优选地，第一高折射率材料层201与第一金属电极材料层301在第II方向上的距离为550-3000nm，第二高折射率材料层202与第三金属电极材料层303在第II方向上的距离为550-3000nm。
本发明不局限于上述实施方式，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在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，
所述石墨烯电光调制器包括：
衬底(10)，其长度、宽度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；以及形成于所述衬底(10)上的马赫泽德干涉仪结构(11)；
其中，所述马赫泽德干涉仪结构(11)包括石墨烯垂直混合等离子光波导(14)，所述石墨烯垂直混合等离子光波导(14)在所述第II方向上包括：第二金属电极材料层(302)；位于所述第二金属电极材料层(302)两侧的第一高折射率材料层(201)和第二高折射率材料层(202)；位于所述第一高折射率材料层(201)与所述第二金属电极材料层(302)之间的第一低折射率材料层(401)和位于所述第二金属电极材料层(302)与所述第二高折射率材料层(202)之间的第二低折射率材料层(402)；以及彼此分离的第一石墨烯材料层(601)、第二石墨烯材料层(602)和第三石墨烯材料层(603)；
所述第二石墨烯材料层(602)位于所述第二金属电极材料层(302)上且其两端分别延伸至所述第一高折射率材料层(201)和所述第二高折射率材料层(202)的至少部分表面上；
所述第一石墨烯材料层(601)的一端至少延伸至所述第一低折射率材料层(401)靠近所述第二金属电极材料层(302)的侧边；
所述第三石墨烯材料层(603)的一端至少延伸至所述第二低折射率材料层(402)靠近所述第二金属电极材料层(302)的侧边；
所述石墨烯垂直混合等离子光波导(14)还包括绝缘材料层(501)，所述绝缘材料层(501)位于所述第一石墨烯材料层(601)和所述第三石墨烯材料层(603)的下方区域内所有结构的表面上；
所述马赫泽德干涉仪结构(11)还包括位于所述石墨烯垂直混合等离子光波导(14)在所述第II方向两侧的第一金属电极材料层(301)和第三金属电极材料层(303)；
所述第一石墨烯材料层(601)的另一端延伸至所述第一金属电极材料层(301)的至少部分表面上；
所述第三石墨烯材料层(603)的另一端延伸至所述第三金属电极材料层(303)的至少部分表面上；
所述制备方法包括如下步骤：
分别在所述衬底(10)的表面上形成第一高折射率材料层(201)和第二高折射率材料层(202)；
分别在所述衬底(10)的表面两端以及所述第一高折射率材料层(201)与所述第二高折射率材料层(202)之间的衬底(10)表面上形成第一金属电极材料层(301)、第三金属电极材料层(303)以及第二金属电极材料层(302)；
分别在所述衬底(10)的表面上且位于所述第一高折射率材料层(201)与所述第二金属电极材料层(302)之间的狭缝区域以及在所述衬底(10)的表面上且位于所述第二金属电极材料层(302)与所述第二高折射率材料层(202)之间的狭缝区域沉积第一低折射率材料层(401)和第二低折射率材料层(402)；
在所述第一高折射率材料层(201)表面、所述第一低折射率材料层(401)表面、所述第二金属电极材料层(302)表面、所述第二低折射率材料层(402)表面以及所述第二高折射率材料层(202)表面上沉积石墨烯，利用氧离子刻蚀方法，得到形成于所述第一低折射率材料层(401)表面、所述第二金属电极材料层(302)表面以及所述第二低折射率材料层(402)表面上，且两端分别延伸至所述第一高折射率材料层(201)和所述第二高折射率材料层(202)的至少部分表面上的第二石墨烯材料层(602)；
在所述第一金属电极材料层(301)与所述第三金属电极材料层(303)之间的结构表面上沉积绝缘材料层(501)；
在所述第一金属电极材料层(301)表面、所述绝缘材料层(501)表面以及所述第三金属电极材料层(303)表面上沉积石墨烯，利用氧离子刻蚀方法，分别得到形成于所述第一金属电极材料层(301)与第二金属电极材料层(302)之间的绝缘材料层(501)的表面上并延伸至所述第一金属电极材料层(301)的至少部分表面上的第一石墨烯材料层(601)，以及形成于所述第二金属电极材料层(302)与所述第三金属电极材料层(303)之间的绝缘材料层(501)的表面上并延伸至所述第三金属电极材料层(303)的至少部分表面上的第三石墨烯材料层(603)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述第一高折射率材料层(201)与所述第二高折射率材料层(202)的折射率相同或不相同，各自独立地为1.8-4.2；
所述第一低折射率材料层(401)与所述第二低折射率材料层(402)的折射率相同或不相同，各自独立地为1.0-2.5。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述第一石墨烯材料层(601)、所述第二石墨烯材料层(602)与所述第三石墨烯材料层(603)在所述第III方向上的长度相同或不相同，各自独立地为0.35-3.5nm；
所述第一石墨烯材料层(601)、所述第二石墨烯材料层(602)与所述第三石墨烯材料层(603)在所述第II方向上的长度相同或不相同，各自独立地为1-800um。
4.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述第一高折射率材料层(201)与所述第一金属电极材料层(301)在所述第II方向上的距离为550-3000nm，所述第二高折射率材料层(202)与所述第三金属电极材料层(303)在所述第II方向上的距离为550-3000nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述马赫泽德干涉仪结构(11)还包括位于所述石墨烯垂直混合等离子光波导(14)在所述第I方向两侧的第一锥形耦合过渡区(12)和第二锥形耦合过渡区(13)。
6.根据权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯电光调制器还包括光输入端(a)和光输出端(b)，且所述马赫泽德干涉仪结构(11)形成于所述光输入端(a)和所述光输出端(b)之间。
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