CN109387956B - 基于狭缝波导的石墨烯电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开发明了基于狭缝波导的石墨烯电光调制器。本发明属于硅基光子学领域。该调制器包括衬底层、硅光波导、电介质填充层及电极结构。硅光波导是由硅狭缝波导构成的Mach‑Zehnder干涉结构，掩埋在衬底中，包括分束器、第一狭缝波导、第二狭缝波导及合波器。在第一和第二狭缝波导上分别覆盖第一和第二石墨烯层；第三石墨烯层通过电介质填充层隔离后同时覆盖在第一和第二狭缝波导上。电极结构包括第一、第二和第三金属层，分别沉积在第一、第二和第三石墨烯层上。本发明双层石墨烯仅在狭缝波导的狭缝上方重叠，以增强石墨烯与光的相互作用，提高调制效率和速率。该器件对构建大带宽、高密度、高速片上系统提供了一种有效地解决方案。

Description

基于狭缝波导的石墨烯电光调制器
技术领域
本发明涉及集成光学和硅基光子学领域，具体涉及基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，更具体利用硅基狭缝波导对光的限制以增强石墨烯和光场的相互作用来实现高密度、大带宽、高速的硅基光调制器。
背景技术
硅基光电子技术因其具有高密度集成、大带宽、高传输速率及抗干扰，且与传统的CMOS工艺兼容等优势，成为了业界普遍认可的光互联技术中最有发展潜力的关键技术。光调制器作为光互联技术中的核心器件，具有重要的研究意义。近年来，由于石墨烯优越的光学性能和电学性能被广泛地应用于调制器的研究中，以实现大带宽、超高速的强度调制和相位调制。目前，在石墨烯硅基光调制器研究主要有基于硅基微环和基于MZ干涉结构两种结构。基于硅基微环的调制器，由于自身的谐振特性，只能在较窄的波长范围内实现光调制。石墨烯虽然吸收系数高，但是单层石墨烯的厚度有限使得总吸收系数有限。为了增强石墨烯与光场的相互作用，通常有两种方法：其一，将石墨烯置于光场分布较强的位置，通常该位置位于硅基波导中，该方法虽然能提高耦合效率但是存在制作困难大、插入损耗大等缺点；其二，增加石墨烯的层数，虽然吸收系数与层数成正相关，但是随着石墨烯层数的增加，调制器的调制带宽将减小且电极引入困难。通常，信号光在石墨烯光调制器的石墨烯硅混合波导中传输，因此，石墨烯硅混合波导的尺寸需满足单模截止条件而不能太小，这也限制了石墨烯的最小尺寸，影响了调制器的调制带宽。
为了解决上述问题，本发明提出了基于狭缝波导的石墨烯电光调制器。该电光调制器采用Mach-Zehnder干涉结构，不存在环形谐振腔结构的选频特性，因此可以在较宽的光谱范围内实现光调制。基于狭缝波导强光场限制作用，有效地提高石墨烯与光场的相互作用，减小调制器的尺寸，实现更高密度的集成；而且狭缝光波导结构中狭缝的尺寸相比传统的硅基波导尺寸要小很多，从而提高调制器的调制速率。本发明提出的基于狭缝波导的石墨烯电光调制器具有工作带宽大，调制速率高、结构紧凑及高效可控等优点，对构建大带宽、高密度、高速片上系统提供了一种有效地解决方案。
发明内容
光调制器作为硅基的高密度、大带宽、高速片上集成系统的核心器件具有重要的研究意义。本发明提供了基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，该器件利用狭缝波导的优势结合石墨烯优异的光学特性和电学特性，实现高速可调、超大带宽、小尺寸和低功耗的石墨烯电光调制器。
本发明基于狭缝波导的石墨烯电光调制器包括：衬底层(10)、硅光波导(1)、电介质填充层(8)及电极结构。
上述硅光波导(1)结构掩埋在衬底层(10)中；硅光波导(1)由硅狭缝波导构成的一个Mach-Zehnder干涉结构，包括狭缝波导分束器(2)、第一狭缝波导(3)、第二狭缝波导(4)以及狭缝波导合波器(9)。
上述硅光波导(1)中，信号光通过狭缝波导分束器(2)进入第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)，在第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)中光信号受到相位调制，经调制后输入狭缝波导合波器(9)耦合输出；
上述第一狭缝波导(3)由第一硅波导(11)和第二硅波导(12)构成，第二狭缝波导(4)由第二硅波导(12)和第三硅波导(13)构成；在第一狭缝波导(3)上覆盖第一石墨烯层(7)和第三石墨烯层(5)且第一石墨烯层(7)和第三石墨烯层(5)仅在第一狭缝波导(3)的狭缝上方重叠；第二狭缝波导(4)上覆盖第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层(5)且第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层(5)仅在第二狭缝波导(4)的狭缝上方重叠；
上述第三石墨烯层(5)通过电介质填充层(8)与第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)隔离；
优选地，电介质填充层(8)的厚度小于10nm，材料为Al2O3或hBN材料，但是不限于上述材料。
上述电极结构包括第一金属层(71)、第二金属层(61)和第三金属层(51)，分别沉积在第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层上(5)。
优选地，对于工作波长为1550nm，上述的第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)的狭缝的宽度介于30～100nm。
优选地，上述构成第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)的第一硅波导(11)、第二硅波导(12)、第三硅波导(13)需满足模式截止条件，即波导中的传播模式截止。对于工作波长为1550nm，硅波导的高度和宽度分别为220nm和220nm，但不限于上述尺寸。
本发明的优点：
(1)高密度集成：利用狭缝波导对光场的强限制作用，有效地提升石墨烯与光场的相互作用，从而减小器件的尺寸，提高器件的集成度。
(2)高速率：利用狭缝波导对石墨烯电极重叠部分的裁剪作用，减小了器件的电容从而提升了调制器的调制速率。
(3)技术成熟：器件的制作工艺与传统的CMOS工艺兼容，石墨烯层位于器件上层易于石墨烯转移，因此，有利于批量化制作和系统集成。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中石墨烯硅调制器横截面结构示意图
图中有：衬底层(10)、硅光波导(1)、电介质填充层(8)、狭缝波导分束器(2)、第一狭缝波导(3)、第二狭缝波导(4)、狭缝波导合波器(9)、第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)、第三石墨烯层(5)、；第一金属层(71)、第二金属层(61)、第三金属层(51)、第一硅波导(11)、第二硅波导(12)和第三硅波导(13)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
从图1可以看出，本发明基于狭缝波导的石墨烯电光调制器是在SOI硅片上制作的硅基波导Mach-Zehnder干涉结构调制器。器件包括了SiO2衬底层(10)、硅光波导(1)、电介质填充层(8)及电极结构。其中，硅基波导(1)为掩埋波导结构；光信号首先通过狭缝波导分束器(2)将光信号耦合进入Mach-Zehnder干涉结构的两臂第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)；通过分别调节狭缝波导上方的石墨烯电极，改变狭缝波导的折射率实现对光场相位的调制。经过第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)调制后的光信号输入狭缝波导合波器(9)进行耦合输出，实现光信号的调制。
本发明基于狭缝波导的石墨烯电光调制器横截面结构示意图如图2所示。第一狭缝波导(3)由第一硅波导(11)和第二硅波导(12)构成，第二狭缝波导(4)由第二硅波导(12)和第三硅波导(13)构成；在第一狭缝波导(3)覆盖第一石墨烯层(7)和第三石墨烯层(5)且第一石墨烯层(7)和第三石墨烯层(5)仅在第一狭缝波导(3)的狭缝上方重叠；第二狭缝波导(4)上覆盖第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层(5)且第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层(5)仅在第二狭缝波导(4)的狭缝上方重叠；第三石墨烯层(5)通过电介质填充层(8)与第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)隔离；电极结构包括第一金属层(71)、第二金属层(61)和第三金属层(51)，分别沉积在第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层上(5)。在一些实施方式中，对于工作波长为1550nm，电介质填充层(8)的厚度为10nm，材料为Al2O3或hBN材料，但是不限于上述材料和厚度。第一狭缝波导和第二狭缝波导的狭缝的宽度介于30～100nm。构成狭缝波导的第一硅波导(11)、第二硅波导(12)、第三硅波导(13)需满足模式截止条件，波导中的传播模式截止。对于工作波长为1550nm，硅波导的高度和宽度分别为220nm和220nm。
综上所述，本发明基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，利用狭缝波导对光场的强限制作用和对石墨烯电极重叠部分的裁剪作用，增强石墨烯与光场的相互作用及器件的调制速率，采用双输入MZ调制器结构设计降低半波电压，减小功耗，因而本发明提出的基于狭缝波导的石墨烯电光调制器具有工作带宽大，调制速率高、结构紧凑、低功耗和与CMOS兼容等优点，在高密度集成的片上系统中具有重要的应用前景。
以上说明书仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，其特征在于：该石墨烯电光调制器包括衬底层(10)、硅光波导(1)、电介质填充层(8)及电极结构；所述硅光波导(1)结构掩埋在衬底层(10)中；硅光波导(1)由硅狭缝波导构成一个Mach-Zehnder干涉结构，包括狭缝波导分束器(2)、第一狭缝波导(3)、第二狭缝波导(4)以及狭缝波导合波器(9)；所述第一狭缝波导(3)由第一硅波导(11)和第二硅波导(12)构成，第二狭缝波导(4)由第二硅波导(12)和第三硅波导(13)构成；在第一狭缝波导(3)上覆盖第一石墨烯层(7)和第三石墨烯层(5)，且第一石墨烯层(7)和第三石墨烯层(5)仅在第一狭缝波导(3)的狭缝上方重叠；第二狭缝波导(4)上覆盖第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层(5)且第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层(5)仅在第二狭缝波导(4)的狭缝上方重叠；所述电极结构包括第一金属层(71)、第二金属层(61)和第三金属层(51)，分别沉积在第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)和第三石墨烯层上(5)。
2.据权利要求1所述基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述硅光波导(1)中，信号光通过狭缝波导分束器(2)耦合进入第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)，信号光在第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)中进行相位调制，调制后的信号光经通过第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)耦合进入狭缝波导合波器(9)输出。
3.据权利要求1所述基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述第三石墨烯层(5)通过电介质填充层(8)与第一石墨烯层(7)、第二石墨烯层(6)隔离；电介质填充层(8)的厚度小于10nm，材料为Al2O3或hBN材料。
4.据权利要求1所述基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述的第一狭缝波导(3)和第二狭缝波导(4)满足单模工作条件，对于工作波长为1550nm，所述的第一狭缝波导（3）和第二狭缝波导（4）的狭缝的宽度介于30～100nm；所述的构成狭缝波导的第一硅波导(11)、第二硅波导(12)、第三硅波导(13)满足模式截止条件，波导中的传播模式截止。
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