CN109669282A - 一种金属-石墨烯混合集成电极 - Google Patents

一种金属-石墨烯混合集成电极 Download PDF

Info

Publication number
CN109669282A
CN109669282A CN201910140599.1A CN201910140599A CN109669282A CN 109669282 A CN109669282 A CN 109669282A CN 201910140599 A CN201910140599 A CN 201910140599A CN 109669282 A CN109669282 A CN 109669282A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
electrode
graphene layer
hybrid integrated
graphite alkene
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910140599.1A
Other languages
English (en)
Inventor
陈开鑫
王梦柯
李学鹏
李俊慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201910140599.1A priority Critical patent/CN109669282A/zh
Publication of CN109669282A publication Critical patent/CN109669282A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0316—Electrodes

Abstract

本发明公开了一种金属‑石墨烯混合集成电极，包括敷设在光波导表面的石墨烯层、及设置在所述石墨烯层表面的金属电极；所述金属电极包括至少两个单根电极，各个单根电极呈一定间距排列在所述石墨烯层表面，且相邻两个单根电极之间的石墨烯层通过刻蚀处理形成一定宽度的间断。本发明通过在金属电极与光波导之间设置石墨烯层，构成金属‑石墨烯混合集成电极；该电极结构新颖、制作工艺简单、易于实现，并且充分发挥了金属和石墨烯两种材料的优势，在保证电光器件宽带工作的前提下，可实现驱动电压的显著降低，使得本发明具有广泛的应用前景。

Description

一种金属-石墨烯混合集成电极
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及一种金属-石墨烯混合集成的电极结构及其功能实现，可应用于电光器件。
背景技术
在光通信领域，如何利用电信号去控制光波的传输是一个很重要的问题。通常人们利用具有电光效应的材料来实现上述的功能。电光效应是指材料的折射率在外加电场下发生变化的一种光学效应。利用电光效应实现特定功能的器件称为电光器件。电光器件在现代光纤通信系统中有着广泛的应用，如：用于光载波调制的电光调制器、用于光路切换的光开关、用于密集波分复用系统(DWDM)的光交叉波分复用器(Interleaver)等。
电光器件除了光路即光波导外，还包括电路组成部分，即电极部分。电极的设计对电光器件的两个重要性能指标：工作带宽、驱动电压起着决定性的作用。
在实际应用场景下，人们往往希望电光器件可由较低的电压的驱动。影响驱动电压大小的因素有很多，其中电极间距的影响最为显著。电极间距越小，在相同的电压下产生的电场就越大，从而显著降低了器件的驱动电压。然而考虑到金属材料对光的强烈吸收作用，金属电极必须和光波导保持足够大的间距。1997年以色列通用微波公司的SamuelHopfer等人以填充浮置电极结合厚的介质缓冲层的方法，研制出了带宽40GHz的铌酸锂电光调制器，其采用介质缓冲层将电极与光波导隔离的方案被沿用至今。然而缓冲层的存在会使得电极在光波导附近产生的电场的强度明显下降，这导致器件的驱动电压无法得到有效降低。
如上所述，工作带宽也是电光器件的一个重要性能指标。2011年，加州大学伯克利分校的张翔研究团队利用石墨烯研制出了世界上最小的超宽带光调制器。在这个研究中，研究人员制作了一种金-铂-石墨烯混合结构的电吸收调制器，尽管该结构中也存在石墨烯与金属金和铂，但其中石墨烯的功能是作为导光材料和光的吸收介质，而电极仅仅是其中的金属金和铂。
综上所述，传统的金属电极很难实现电光器件驱动电压的显著降低，而石墨烯与金属混合集成将是一种全新的设计思路。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决传统的金属电极很难实现电光器件驱动电压的显著降低等问题，本发明提出了一种金属-石墨烯混合集成的电极结构，在保证宽带工作的前提下，实现电光器件驱动电压的显著降低。
本发明的技术方案是：一种金属-石墨烯混合集成电极，包括敷设在光波导表面的石墨烯层、及设置在所述石墨烯层表面的金属电极；所述金属电极包括至少两个单根电极，各个单根电极呈一定间距排列在所述石墨烯层表面，且相邻两个单根电极之间的石墨烯层通过刻蚀处理形成一定宽度的间断，构成刻蚀区域。
作为上述金属-石墨烯混合集成电极的进一步改进，所述单根电极的接触面相适应的与石墨烯层进行贴合。
作为上述金属-石墨烯混合集成电极的进一步改进，所述石墨烯层上的刻蚀区域的形状为带状。
作为上述金属-石墨烯混合集成电极的进一步改进，所述电极的电极间距为刻蚀区域的带状宽度。
作为上述金属-石墨烯混合集成电极的进一步改进，所述石墨烯层从金属电极下方延伸至刻蚀区域。
本发明的有益效果是：本发明通过在金属电极与光波导之间设置石墨烯层，构成金属-石墨烯混合集成电极；该电极结构新颖、制作工艺简单、易于实现，并且充分发挥了金属和石墨烯两种材料的优势，在保证电光器件宽带工作的前提下，可实现驱动电压的显著降低，使得本发明具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的金属-石墨烯混合集成电极结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的金属-石墨烯混合集成电极，包括敷设在光波导表面的石墨烯层、及设置在所述石墨烯层表面的金属电极；图1中的金属电极包括两个单根电极，两个单根电极之间的石墨烯层通过刻蚀处理形成一定宽度的间断，构成刻蚀区域。光波导的脊型结构位于刻蚀区域内，因此原本覆盖在脊型结构表面的石墨烯在刻蚀过程中被去除。
本发明的金属-石墨烯混合集成电极包括石墨烯层和金属电极，由金属和石墨烯两种材料混合集成；其中金属可采用包括金、银、铜、铝在内的所有适用于电极制作的金属材料，石墨烯可采用包括单层石墨烯、多层石墨烯在内的不同种类的石墨烯材料。
由于相比于金属材料，石墨烯的电阻较大，若只采用石墨烯这一种材料做电极，电极的电阻会比传统金属电极大很多；而在集总电极的应用场景下，大的电阻对应于大的RC时间常数；在行波电极的应用场景下，大的电阻会导致电信号在传输过程中有较大的衰减，以上两个因素均会降低器件的工作带宽；因此本发明的金属-石墨烯混合集成电极的主体部分采用金属，金属的电阻率通常较低，而基于现在的工艺水平，金属电极很容易实现较大的厚度，最终的效果是电极的电阻明显下降，从而保证了电光器件的工作带宽。
本发明的金属电极设置为较大的厚度，单根电极的接触面相适应的与石墨烯层进行贴合，即单根电极的整体接触面均与石墨烯层充分贴合，使得金属电极表面与石墨烯层之间存在较大的接触面积，从而实现石墨烯与金属电极之间接触电阻的降低，这样有利于提高电光器件的工作带宽；本发明可以根据不同的需求，采用金属电极下表面与石墨烯贴合或金属电极上表面与石墨烯贴合等方式。
由于金属对光有强烈的吸收作用，金属电极必须和光波导芯层保持一定的距离，这使得电光器件上所采用的传统金属电极的电极间距较大；因此本发明通过在光波导表面设置石墨烯层，在石墨烯层上制作金属电极，并对相邻金属电极之间的石墨烯层进行刻蚀处理形成带状的刻蚀区域，使得金属-石墨烯混合集成电极的电极间距为刻蚀区域的带状宽度。
本发明的金属-石墨烯混合集成电极通过在石墨烯层上刻蚀形成刻蚀区域，并使得光波导位于刻蚀区域内，这样既能保证金属电极与光波导芯层之间保持足够的距离，又能通过调整石墨烯刻蚀区域的宽度来设置不同的电极间距。
本发明采用石墨烯层从金属电极下方延伸至刻蚀区域的方式对电极间距进行调节，石墨烯与光波导的距离可根据不同需求设置为不同的值，如：间距0nm，间距500nm等。
本发明的金属电极由至少两个单根电极组成，包括但不限于两个单根电极组成的电极、以及三个单根电极组成的共面波导(CPW)电极，只要在电极的设计中采用本发明提出的金属和石墨烯相结合的方案均能实现驱动电压的显著下降。
下面分别以两个单根电极组成的电极、以及三个单根电极组成的共面波导(CPW)电极对本发明的金属-石墨烯混合集成电极进行进一步详细说明。
金属电极由两个单根电极组成时，两个单根电极相对排列在石墨烯层上，其中一个单根电极连接信号源，另一个单根电极接地，将两个单根电极间距之间的石墨烯层进行刻蚀处理形成一定宽度的间断，构成本发明的金属-石墨烯混合集成电极。
金属电极由三个单根电极组成的共面波导(CPW)结构时，三个单根电极依次排列在石墨烯层上，共面波导(CPW)结构的中央电极连接信号源，两侧的接地电极接地，中央电极与两侧的接地电极之间的石墨烯层进行刻蚀处理形成一定宽度的间断，构成本发明的金属-石墨烯混合集成电极。
下面以图1为例，对本发明的金属-石墨烯混合集成电极的工作原理作简要介绍。
工作状态下，一根金属电极连接信号源，一根金属电极接地；电信号从金属电极上传导至石墨烯上，由于两者较大的接触面积，电信号的传输损耗较小；之后电信号沿着石墨烯层传输直至间断处，即刻蚀区域，这相当于减小了电极间距；由于电极间距越小，在相同的电压下产生的电场就越大，从而实现了器件驱动电压的显著降低。
本发明的金属-石墨烯混合集成电极结构新颖、制作工艺简单、易于实现，并且充分发挥了金属和石墨烯两种材料的优势，在保证电光器件宽带工作的前提下，可实现驱动电压的显著降低，使得本发明具有广泛的应用前景。本发明的金属-石墨烯混合集成电极可广泛应用于各种电光器件的设计与制作，如：电光调制器、光开关等。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种金属-石墨烯混合集成电极，其特征在于，包括敷设在光波导表面的石墨烯层、及设置在所述石墨烯层表面的金属电极；所述金属电极包括至少两个单根电极，各个单根电极呈一定间距排列在所述石墨烯层表面，且相邻两个单根电极之间的石墨烯层通过刻蚀处理形成一定宽度的间断，构成刻蚀区域。
2.如权利要求1所述的金属-石墨烯混合集成电极，其特征在于，所述单根电极的接触面相适应的与石墨烯层进行贴合。
3.如权利要求2所述的金属-石墨烯混合集成电极，其特征在于，所述石墨烯层上的刻蚀区域的形状为带状。
4.如权利要求3所述的金属-石墨烯混合集成电极，其特征在于，所述电极的电极间距为刻蚀区域的带状宽度。
5.如权利要求4所述的金属-石墨烯混合集成电极，其特征在于，所述石墨烯层从金属电极下方延伸至刻蚀区域。
CN201910140599.1A 2019-02-26 2019-02-26 一种金属-石墨烯混合集成电极 Pending CN109669282A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910140599.1A CN109669282A (zh) 2019-02-26 2019-02-26 一种金属-石墨烯混合集成电极

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910140599.1A CN109669282A (zh) 2019-02-26 2019-02-26 一种金属-石墨烯混合集成电极

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109669282A true CN109669282A (zh) 2019-04-23

Family

ID=66152395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910140599.1A Pending CN109669282A (zh) 2019-02-26 2019-02-26 一种金属-石墨烯混合集成电极

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109669282A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110927995A (zh) * 2019-12-13 2020-03-27 西南大学 一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器
CN111367098A (zh) * 2020-05-27 2020-07-03 电子科技大学 一种基于石墨烯周期结构的电光移相器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104319447A (zh) * 2014-10-21 2015-01-28 电子科技大学 一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法
CN104678597A (zh) * 2014-07-25 2015-06-03 电子科技大学 一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法
CN105278125A (zh) * 2015-11-20 2016-01-27 电子科技大学 一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构
CN106249442A (zh) * 2016-10-08 2016-12-21 广西师范大学 一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器
CN107561028A (zh) * 2017-06-30 2018-01-09 国家纳米科学中心 用于增强红外光谱探测的金属‑石墨烯等离激元器件及制备方法
CN108121091A (zh) * 2017-12-08 2018-06-05 武汉邮电科学研究院 一种电光调制器及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104678597A (zh) * 2014-07-25 2015-06-03 电子科技大学 一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法
CN104319447A (zh) * 2014-10-21 2015-01-28 电子科技大学 一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法
CN105278125A (zh) * 2015-11-20 2016-01-27 电子科技大学 一种新型的石墨烯偏振不敏感电光调制器结构
CN106249442A (zh) * 2016-10-08 2016-12-21 广西师范大学 一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器
CN107561028A (zh) * 2017-06-30 2018-01-09 国家纳米科学中心 用于增强红外光谱探测的金属‑石墨烯等离激元器件及制备方法
CN108121091A (zh) * 2017-12-08 2018-06-05 武汉邮电科学研究院 一种电光调制器及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUHAMMAD MOHSIN等: "Graphene based low insertion loss electroabsorption modulator on SOI waveguide", 《OPTICS EXPRESS》 *
XUETAO GAN等: "Chip-integrated ultrafast graphene photodetector with high responsivity", 《NATURE PHOTONICS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110927995A (zh) * 2019-12-13 2020-03-27 西南大学 一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器
CN111367098A (zh) * 2020-05-27 2020-07-03 电子科技大学 一种基于石墨烯周期结构的电光移相器
CN111367098B (zh) * 2020-05-27 2020-09-25 电子科技大学 一种基于石墨烯周期结构的电光移相器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI638464B (zh) 半導體光調變元件
US10247999B1 (en) Electro-optic modulation structures
JP4663712B2 (ja) 半導体光変調器
US6721085B2 (en) Optical modulator and design method therefor
WO2016092829A1 (ja) 光変調器
CN112415786A (zh) 一种硅基电光调制器
CN109669282A (zh) 一种金属-石墨烯混合集成电极
WO2017107775A1 (zh) 集成电光调制器及通过衬底挖空提高其3dB带宽的方法
US6646776B1 (en) Suppression of high frequency resonance in an electro-optical modulator
WO2004083952A1 (en) An optical modulator and a method for adapting an optical modulator
JPWO2004081638A1 (ja) 半導体光変調器
JP2612948B2 (ja) 光変調素子
Mitomi et al. Broadband and low driving-voltage LiNbO3 optical modulators
US5712935A (en) Optical switch
US10451951B1 (en) Push-pull photonic modulator
JP6348880B2 (ja) 半導体マッハツェンダ光変調器
US20030016896A1 (en) Electro-optic waveguide devices
CN113885227A (zh) 光器件及光通信装置
JP2012163882A (ja) 光変調器
JP2012163840A (ja) 光変調器
CN110320683A (zh) 光调制器
US20020131745A1 (en) Electro-optic waveguide devices
JPH05173099A (ja) 光制御素子
CN108107608A (zh) 一种基于透明导电氧化物的偏振不敏感的电光调制器
JP5906210B2 (ja) 光変調器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190423

RJ01 Rejection of invention patent application after publication