CN109541822A - 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制备方法，包括：衬底，其长宽高分别定义为X、Y、Z方向；设于衬底上的绝缘材料层；沿X方向间隔地设于绝缘材料层内的光输入端和光输出端；位于光输入端和光输出端之间的亚波长光栅波导结构，包括设于绝缘材料层内且上下布置的第一石墨烯层和折射率层及设于绝缘材料层上表面上的第二石墨烯层，折射率层两端分别与光输入端和光输出端相连，第一石墨烯层自折射率层一侧向外延伸并连接有第一金属电极，第二石墨烯层自折射率层另一侧向外延伸并连接有第二金属电极，折射率层包括沿X方向周期性布置的高折射率单元，相邻两个高折射率单元之间填充低折射率单元。本发明具有高调制效率、高3dB电光调制带宽的特点。

Description

一种石墨烯电光调制器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电光调制器技术领域，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，结合马赫泽德干涉仪(MZI)、微环谐振器等结构来调制光的相位、振幅、偏振。
石墨烯作为一种新型材料具有优异的光电子学特性，例如，超宽带光波长响应(可见光到太赫兹波段)、与光的强相互作用，电导率可调，超快载流子迁移速率等，结合硅基光波导结构，可以实现对光的超宽带、高效率调制。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)。增强石墨烯和光的相互作用非常有助于提高器件调制效率和调制带宽。目前石墨烯电光调制器在调制效率、3dB电光带宽、器件制备工艺复杂度之间很难能够达到一个平衡。
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，能够提高石墨烯和光场的相互作用，具有高调制效率、高3dB电光调制带宽的特点。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种石墨烯电光调制器，其包括：
衬底，其长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；
设于所述衬底上的绝缘材料层；
沿X方向间隔地设于所述绝缘材料层内的光输入端和光输出端；
位于所述光输入端和光输出端之间的亚波长光栅波导结构，其包括：
-设于所述绝缘材料层内且上下布置的第一石墨烯层和折射率层，所述折射率层两端分别与光输入端和光输出端相连，所述第一石墨烯层自折射率层一侧向外延伸并连接有第一金属电极；
-设于所述绝缘材料层上表面上的第二石墨烯层，所述第二石墨烯层自折射率层另一侧向外延伸并连接有第二金属电极；所述折射率层包括沿X方向周期性布置的高折射率单元，相邻两个高折射率单元之间填充有低折射率单元。
进一步地，所述高折射率单元的折射率为1.8～4.2，所述低折射率单元的折射率为1.0～2.5，所述第一金属电极、第二金属电极的材质包括金、银、铝、钛、铬、镍、铜中的至少一种。
进一步地，所述高折射率单元的材料包括砷化镓、锗、硅、氮化硅中的至少一种。
进一步地，所述低折射率单元的材料包括二氧化硅、氧化铝、氮化硅中的至少一种。
进一步地，所述高折射率单元在X方向上的尺寸为150～1000nm，在Y方向上的尺寸为150～1000nm；所述低折射率单元在X方向上的尺寸为150～1000nm，在Y方向上的尺寸为150～1000nm。
进一步地，所述第一石墨烯层为单层或者多层石墨烯，第一石墨烯层在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm；所述第二石墨烯层为单层或者多层石墨烯，第二石墨烯层在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm。
进一步地，所述绝缘材料层位于第一石墨烯层与第二石墨烯层之间的部分在Z方向上的尺寸为2～150nm。
进一步地，所述高折射率单元与其相邻的低折射率单元所构成的结构在X方向上的尺寸小于入射光波长的1/2。
进一步地，所述石墨烯电光调制器还包括设于所述绝缘材料层内的第一锥型耦合过渡区和第二锥型耦合过渡区，所述第一锥型耦合过渡区两端分别与光输入端和折射率层相连，所述第一锥型耦合过渡区在Y方向上的尺寸自光输入端向折射率层逐渐减小，所述第二锥型耦合过渡区两端分别与光输出端和折射率层相连，所述第二锥型耦合过渡区在Y方向上的尺寸自光输出端向折射率层逐渐减小。
本发明还提供了一种石墨烯电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对所述衬底上的硅基片进行处理，制备周期性的高折射率单元；
在所述衬底上沉积第一绝缘材料层，并进行平坦化处理，所述第一绝缘材料层位于相邻两个高折射率单元之间的部分形成低折射率单元；
将石墨烯薄膜转移到高折射率单元、低折射率单元上形成第一石墨烯层，所述第一石墨烯层包括其自折射率层一侧向外延伸而形成的第一延伸端；
在所述第一延伸端上沉积导电金属薄膜，制备第一金属电极；
沉积第二绝缘材料层，第一绝缘材料层除去低折射率单元的部分与第二绝缘材料层构成所述绝缘材料层；
将石墨烯薄膜转移到绝缘材料层上表面上，形成第二石墨烯层，所述第二石墨烯层包括其自折射率层另一侧向外延伸而形成的第二延伸端；
在所述第二延伸端上沉积导电金属薄膜，制备第二金属电极。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明实施例提供的电光调制器采用亚波长光栅波导结构，使得TE模式电场更多泄露在低折射率单元上，有利于增强与上层覆盖的双层石墨烯的相互作用，提高调制效率。
得益于本发明实施例提供的亚波长光栅波导结构，器件的整体电容会变得更小，理论上3dB电光调制带宽可达到150GHz以上。
(2)本发明实施例提供的亚波长光栅波导结构制备工艺相对简单，适合片上集成，易于推广。
附图说明
图1为本发明实施例提供的石墨烯电光调制器平面结构示意图；
图2为图1中C-C处断面图；
图3为图1中D-D处断面图；
图4为本发明实施例提供的石墨烯电光调制器制备方法流程图。
图中：A、光输入端；B、光输出端；1、衬底；2、绝缘材料层；3、第一石墨烯层；4、第二石墨烯层；5、第一金属电极；6、第二金属电极；7、高折射率单元；8、低折射率单元；9、第一锥型耦合过渡区；10、第二锥型耦合过渡区。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种石墨烯电光调制器，其包括衬底1、绝缘材料层2、光输入端A、光输出端B以及亚波长光栅波导结构，将衬底1长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向，参见图1至图3。
绝缘材料层2设在衬底1上，光输入端A和光输出端B设置在绝缘材料层2内，并且沿X方向间隔地布置。
亚波长光栅波导结构位于光输入端A和光输出端B，亚波长光栅波导结构包括两部分：
第一部分：设于绝缘材料层2内且上下布置的第一石墨烯层3和折射率层，折射率层两端分别与光输入端A和光输出端B相连，第一石墨烯层3自折射率层一侧向外延伸并形成第一延伸端，在第一延伸端上表面连接有第一金属电极5，参见图2和图3所示；
第二部分：设于绝缘材料层2上表面上的第二石墨烯层4，由于第一石墨烯层3在绝缘材料层2内，而第二石墨烯层4在绝缘材料层2外，第一石墨烯层3与第二石墨烯层4不接触，通过绝缘材料层2位于第一石墨烯层3与第二石墨烯层4之间的部分隔离开，参见图2所示；第二石墨烯层4自折射率层另一侧向外延伸并形成第二延伸端，在第二延伸端上表面连接有第二金属电极6，第一金属电极5与第二金属电极6沿Y方向间隔布置；折射率层包括沿X方向周期性布置的高折射率单元7，相邻两个高折射率单元7之间填充有低折射率单元8，通过低折射率单元8将相邻两个高折射率单元7连接，参见图1和图3所示。
本发明实施例提供的电光调制器采用亚波长光栅波导结构，使得TE模式电场更多泄露在低折射率单元上，有利于增强与上层覆盖的双层石墨烯的相互作用，提高调制效率。
得益于本发明实施例提供的亚波长光栅波导结构，器件的整体电容会变得更小，理论上3dB电光调制带宽可达到150GHz以上。
另外，本发明实施例提供的亚波长光栅波导结构制备工艺相对简单，适合片上集成，易于推广。
在本实施例中，高折射率单元7的折射率为1.8～4.2，低折射率单元8的折射率为1.0～2.5，第一金属电极5、第二金属电极6的材质包括金、银、铝、钛、铬、镍、铜中的至少一种。
高折射率单元7的材料包括砷化镓、锗、硅、氮化硅中的至少一种。
低折射率单元8的材料包括二氧化硅、氧化铝、氮化硅中的至少一种。
高折射率单元7在X方向上的尺寸为150～1000nm，在Y方向上的尺寸为150～1000nm；低折射率单元8在X方向上的尺寸为150～1000nm，在Y方向上的尺寸为150～1000nm。
第一石墨烯层3为单层或者多层石墨烯，第一石墨烯层3在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm；第二石墨烯层4为单层或者多层石墨烯，第二石墨烯层4在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm。
绝缘材料层2位于第一石墨烯层3与第二石墨烯层4之间的部分在Z方向上的尺寸为2～150nm，使得第一石墨烯层3与第二石墨烯层4之间的间距为2～150nm。
高折射率单元7与其相邻的低折射率单元8所构成的结构在X方向上的尺寸小于入射光波长的1/2。
参见图1所示，石墨烯电光调制器还包括设于绝缘材料层2内的第一锥型耦合过渡区9和第二锥型耦合过渡区10，第一锥型耦合过渡区9两端分别与光输入端A和折射率层相连，第一锥型耦合过渡区9在Y方向上的尺寸自光输入端A向折射率层逐渐减小，第二锥型耦合过渡区10两端分别与光输出端B和折射率层相连，第二锥型耦合过渡区10在Y方向上的尺寸自光输出端B向折射率层逐渐减小。
参见图4所示，本发明实施例还提供了一种石墨烯电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
S1：通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底1上的硅基片进行处理，制备周期性的高折射率单元7；
S2：在衬底1上沉积第一绝缘材料层，并进行平坦化处理，第一绝缘材料层位于相邻两个高折射率单元7之间的部分形成低折射率单元8；
S3：将石墨烯薄膜转移到高折射率单元7、低折射率单元8上形成第一石墨烯层3，第一石墨烯层3包括其自折射率层一侧向外延伸而形成的第一延伸端；
S4：在第一延伸端上沉积导电金属薄膜，制备第一金属电极5；
S5：沉积第二绝缘材料层，第一绝缘材料层除去低折射率单元8后剩余的部分与第二绝缘材料层构成绝缘材料层2；
S6：将石墨烯薄膜转移到绝缘材料层2上表面上，形成第二石墨烯层4，第二石墨烯层4包括其自折射率层另一侧向外延伸而形成的第二延伸端；
S7：在第二延伸端上沉积导电金属薄膜，制备第二金属电极6。
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 (10)

1.一种石墨烯电光调制器，其特征在于，其包括：
衬底(1)，其长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；
设于所述衬底(1)上的绝缘材料层(2)；
沿X方向间隔地设于所述绝缘材料层(2)内的光输入端(A)和光输出端(B)；
位于所述光输入端(A)和光输出端(B)之间的亚波长光栅波导结构，其包括：
-设于所述绝缘材料层(2)内且上下布置的第一石墨烯层(3)和折射率层，所述折射率层两端分别与光输入端(A)和光输出端(B)相连，所述第一石墨烯层(3)自折射率层一侧向外延伸并连接有第一金属电极(5)；
-设于所述绝缘材料层(2)上表面上的第二石墨烯层(4)，所述第二石墨烯层(4)自折射率层另一侧向外延伸并连接有第二金属电极(6)；所述折射率层包括沿X方向周期性布置的高折射率单元(7)，相邻两个高折射率单元(7)之间填充有低折射率单元(8)。
2.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述高折射率单元(7)的折射率为1.8～4.2，所述低折射率单元(8)的折射率为1.0～2.5，所述第一金属电极(5)、第二金属电极(6)的材质包括金、银、铝、钛、铬、镍、铜中的至少一种。
3.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述高折射率单元(7)的材料包括砷化镓、锗、硅、氮化硅中的至少一种。
4.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述低折射率单元(8)的材料包括二氧化硅、氧化铝、氮化硅中的至少一种。
5.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述高折射率单元(7)在X方向上的尺寸为150～1000nm，在Y方向上的尺寸为150～1000nm；所述低折射率单元(8)在X方向上的尺寸为150～1000nm，在Y方向上的尺寸为150～1000nm。
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(3)为单层或者多层石墨烯，第一石墨烯层(3)在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm；所述第二石墨烯层(4)为单层或者多层石墨烯，第二石墨烯层(4)在Z方向上的尺寸为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：所述绝缘材料层(2)位于第一石墨烯层(3)与第二石墨烯层(4)之间的部分在Z方向上的尺寸为2～150nm。
8.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述高折射率单元(7)与其相邻的低折射率单元(8)所构成的结构在X方向上的尺寸小于入射光波长的1/2。
9.如权利要求1所述的石墨烯电光调制器，其特征在于：所述石墨烯电光调制器还包括设于所述绝缘材料层(2)内的第一锥型耦合过渡区(9)和第二锥型耦合过渡区(10)，所述第一锥型耦合过渡区(9)两端分别与光输入端(A)和折射率层相连，所述第一锥型耦合过渡区(9)在Y方向上的尺寸自光输入端(A)向折射率层逐渐减小，所述第二锥型耦合过渡区(10)两端分别与光输出端(B)和折射率层相连，所述第二锥型耦合过渡区(10)在Y方向上的尺寸自光输出端(B)向折射率层逐渐减小。
10.一种如权利要求1所述的石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对所述衬底(1)上的硅基片进行处理，制备周期性的高折射率单元(7)；
在所述衬底(1)上沉积第一绝缘材料层，并进行平坦化处理，所述第一绝缘材料层位于相邻两个高折射率单元(7)之间的部分形成低折射率单元(8)；
将石墨烯薄膜转移到高折射率单元(7)、低折射率单元(8)上形成第一石墨烯层(3)，所述第一石墨烯层(3)包括其自折射率层一侧向外延伸而形成的第一延伸端；
在所述第一延伸端上沉积导电金属薄膜，制备第一金属电极(5)；
沉积第二绝缘材料层，第一绝缘材料层除去低折射率单元(8)的部分与第二绝缘材料层构成所述绝缘材料层(2)；
将石墨烯薄膜转移到绝缘材料层(2)上表面上，形成第二石墨烯层(4)，所述第二石墨烯层(4)包括其自折射率层另一侧向外延伸而形成的第二延伸端；
在所述第二延伸端上沉积导电金属薄膜，制备第二金属电极(6)。
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