CN109870832A

CN109870832A - 石墨烯h型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计

Info

Publication number: CN109870832A
Application number: CN201910285130.7A
Authority: CN
Inventors: 张晓霞; 姬月华; 李顺
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2019-06-11

Abstract

本发明公开一种石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构，该结构包括衬底层、形成于所述衬底上的石墨烯H型狭缝光波导结构和电极结构；所述衬底上的双层石墨烯H型狭缝光波导结构由第一高折射率材料层、第二高折射率材料层、第三高折射率材料层、第四高折射率材料层、低折射率材料层组成的H型狭缝、顶端双层石墨烯、底端双层石墨烯组成；每个双层石墨烯结构均由三层绝缘材料将两层石墨烯隔开。本发明实施例中，光波导将TM和TE模的模场分别限制在水平狭缝和两个竖直狭缝区域，增强了石墨烯与光的相互作用，提高了调制器的调制速率，可以有效调控波导中的有效折射率变化，实现对光场相位的动态调谐，且TM和TE模变化一致，实现了偏振无关调制。

Description

石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计

技术领域

石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，属于光通信技术领域，涉及光波导制作技术。

背景技术

电光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是重要的集成光学器件之一，其功能是改变通过光调制器的光载波的强度、相位、偏振等特性，将电信号加载到光载波上。飞速发展的光通信技术要求更高速率、更小体积、更低功耗且易集成的电光调制器，而现有基于传统电光材料的光调制器因自身材料的限制已经无法满足这一需求，这使得基于新型材料和结构的电光调制器的研究成为迫切需求。

石墨烯作为一种二维晶格平面材料，具有超宽光谱的吸收范围和超高电导率；其光导率会随外加偏置电压的变化而变化，从而改变石墨烯波导的折射率和吸收率，表面铺有石墨烯的波导的折射率变化范围相比于传统硅波导材料有很大提高。另外，它与现有的CMOS技术兼容，具有良好的稳定性和可靠性，因此石墨烯特有的光电特性使得其在光电子器件方面具有极其广泛的应用前景。

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，通常有三种方法：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，为了能在波导中传输，硅基波导尺寸需满足单模截止条件而不能太小，这也就限制了石墨烯的最小尺寸，影响了调制器的调制带宽。其三，通过设置狭缝，将光能量聚集在狭缝中，从而增强石墨烯与光场的相互作用。第三种方法相比前两种方法的优点是狭缝结构可以有效地提高石墨烯与光场的相互作用，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，减小了调制器的尺寸，提高了调制器的调制速率，从而实现更高密度的集成。

例如申请号为201711425046.8的发明专利公开了一种石墨烯电光调制器及其制备方法，包括：衬底、形成于所述衬底上的双层石墨烯垂直狭缝光波导结构、第一电极、第二电极、光输入端以及光输出端，双层石墨烯垂直狭缝光波导结构包括由第一高折射率材料层、低折射率材料层、第二高折射率材料层组成的垂直狭缝光波导、第一石墨烯层、绝缘材料层、第二石墨烯层。

又如申请为201811351655.8的发明专利公开了基于狭缝波导的石墨烯电光调制器，包括衬底层、硅光波导、电介质填充层及电极结构。硅光波导结构掩埋在衬底中，硅光波导是由硅狭缝波导构成的一个MachZehnder干涉结构，包括狭缝波导分束器、第一狭缝波导、第二狭缝波导以及狭缝波导合波器。第一狭缝波导由第一硅波导和第二硅波导构成；第二狭缝波导由第二硅波导和第三硅波导构成；在第一狭缝波导上覆盖第一石墨烯层和第三石墨烯层；在第二狭缝波导上覆盖第二石墨烯层和第三石墨烯层；第三石墨烯层通过电介质填充层与第一石墨烯层、第二石墨烯层隔离；电极结构包括第一金属层、第二金属层和第三金属层，分别沉积在第一石墨烯层、第二石墨烯层和第三石墨烯层上。

正如上面讲述的石墨烯狭缝波导电光调制器都存在一个共同的劣势，就是对入射光的偏振方向敏感，只能对特定偏振方向的光波产生有效地调制，即都是偏振相关的，限制了这种光调制器的使用范围，本领域技术人员亟需解决该技术问题。

发明内容

本发明提出了一种石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计。

本发明采用的技术方法如下：

该结构包括衬底层、形成于所述衬底上的石墨烯H型狭缝光波导结构和电极结构；所述衬底上的石墨烯H型狭缝光波导结构由第一高折射率材料层、第二高折射率材料层、第三高折射率材料层、第四高折射率材料层、低折射率材料层组成的H型狭缝、底端双层石墨烯结构、顶端双层石墨烯结构组成；所述底端双层石墨烯结构位于H型狭缝的底端，顶端双层石墨烯位于H型狭缝的顶端，且顶端双层石墨烯结构位于衬底层上端面；所述底端双层石墨烯结构依次设置的是第一隔离介质层、第一石墨烯层、第二隔离介质层、第二石墨烯层、第三隔离介质层；所述第一高折射率材料层上方为水平狭缝，水平狭缝上方为第二高折射率材料层，第一高折射率材料层、水平狭缝、第二高折射率材料层左右两边为两个竖直狭缝，两个竖直狭缝分别紧挨第三高折射率材料层和第四高折射率材料层；所述水平狭缝和两个竖直狭缝即低折射率材料层，构成H型狭缝；所述顶端双层石墨烯结构依次设置的是第四隔离介质层、第三石墨烯层、第五隔离介质层、第四石墨烯层、第六隔离介质层；所述电极结构包括第一电极和第二电极，所述第一电极沉积在第一石墨烯层、第五隔离介质层和第四石墨烯层延伸部分的上端面，第二电极沉积在第二石墨烯层、第四隔离介质层和第三石墨烯层延伸部分的上端面。

提出的第一个优化方法，所述第一石墨烯层与第二石墨烯层的间距为10～60nm,第三石墨烯层与第四石墨烯层的间距为10～60nm。

第一石墨烯层与第二石墨烯层之间的第二隔离介质层将底端两层石墨烯层隔开，第三石墨烯层与第四石墨烯层的第五隔离介质层将顶端两层石墨烯层隔开，形成两个电容器结构，使石墨烯层的吸收效率最大化，并能够大大提高调制性能。

提出的第二个优化方法，所述底端隔离介质层和顶端隔离介质层均由绝缘材料构成。采用绝缘材料可以阻止石墨烯中的潜在载流子注入到硅中，起到隔离效果，从而提高调制器调制效率并减少调制器的能耗。

提出的对第二个方法的进一步优化，所述第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层即隔离介质层4，第四隔离介质层、第五隔离介质层、第六隔离介质层即隔离介质层10为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氧化物或六方硼氮氧化物。

提出的第三个优化方法，所述第一高折射率材料层的宽度为170～240nm，高度为90～210nm；第二高折射率材料层的宽度为170～240nm，高度为90～210nm；水平狭缝高度为10～60nm；竖直狭缝宽度为30～100nm；第三高折射率材料层的宽度为170～240nm，高度为210～490nm，第四高折射率材料层的宽度为170～240nm，高度为210～490nm；

提出的第四个优化方法，所述的第一高折射率材料层、第二高折射率材料层、第三高折射率材料层、第四高折射率材料层的材料包括：砷化镓、硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。

提出的第五个优化方法，所述的衬底层、水平狭缝、竖直狭缝均由低折射率电介质材料组成，所述的低折射率电介质材料的光折射率均小于第一高折射率层、第二高折射率层、第三高折射率层、第四高折射率材料层的光折射率。

提出的对第五个方法的进一步优化，所述的低折射率电介质材料包括：二氧化硅、氮化硼、氮化硅。

提出的第六个优化方法，所述第一电极和第二电极的材料为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯。

综上，本发明采用的上述技术方法，其有益效果是：

1、本发明中，H型狭缝结构增强了对TM、TE模式的限制作用，水平狭缝将TM模限制在其内，两个竖直狭缝将TE模限制在其内，从而增强了石墨烯与光的相互作用，使得光波导的有效折射率发生较大改变，可以有效缩小实现π相移所需要的波导长度，减小了整个器件的尺寸。

2、本发明中，对TM模和TE模折射率实部改变量相同，两个模式的吸收系数曲线重合，实现了偏振无关调制。

3、本发明中，由于石墨烯光导率可随外加偏置电压的变化而变化，可以有效调控波导中的有效折射率变化，实现对光场相位的动态调制。

4、本发明中，对于制备石墨烯H型狭缝结构偏振无关电光调制器在工艺上可与传统SOI CMOS工艺兼容，易于集成。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明石墨烯H型狭缝结构偏振无关电光调制器的横截面结构示意图；

图2为本发明实施例TM模的模场分布图；

图3为本发明实施例TE模的模场分布图；

图4为本发明实施例TM模和TE模有效折射率在不同石墨烯费米能级下的对比曲线图；

图中标记:1-衬底层；2-第一石墨烯层；3-第二石墨烯层；4-底端双层石墨烯结构隔离介质层；5-第一电极；6-第二电极；7-第一高折射率材料层；8-第二高折射率材料层；9-第三高折射率材料层；10-顶端双层石墨烯结构隔离介质层；11-第三石墨烯层；12-第四石墨烯层；13-第四高折射率材料层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方法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所示为本发明示例性实施例示出的石墨烯H型狭缝结构偏振无关电光调制器结构设计，所述石墨烯H型狭缝结构偏振无关电光调制器结构设计，包括：

该结构包括衬底层1、形成于所述衬底上的石墨烯H型狭缝光波导结构和电极结构；所述衬底上的石墨烯H型狭缝光波导结构由第一高折射率材料层7、第二高折射率材料层8、第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13、低折射率材料层组成的H型狭缝、底端双层石墨烯、顶端双层石墨烯组成；所述底端双层石墨烯结构位于H型狭缝的底端，顶端双层石墨烯位于H型狭缝的顶端，且顶端双层石墨烯结构位于衬底层上端面；所述底端双层石墨烯结构依次设置的是第一隔离介质层、第一石墨烯层2、第二隔离介质层、第二石墨烯层3、第三隔离介质层；所述第一高折射率材料层上方为水平狭缝，水平狭缝上方为第二高折射率材料层，第一高折射率材料层、水平狭缝、第二高折射率材料层左右两边为两个竖直狭缝，两个竖直狭缝分别紧挨第三高折射率材料层9和第四高折射率材料层13；所述水平狭缝和两个竖直狭缝即低折射率材料层，构成H型狭缝；所述顶端双层石墨烯结构依次设置的是第四隔离介质层、第三石墨烯层11、第五隔离介质层、第四石墨烯层12、第六隔离介质层；所述电极结构包括第一电极5和第二电极6，所述第一电极5沉积在第一石墨烯层2、第五隔离介质层和第四石墨烯层12延伸部分的上端面，第二电极6沉积在第二石墨烯层3、第四隔离介质层和第三石墨烯层11延伸部分的上端面。

进一步的，所述第一石墨烯层2与第二石墨烯层3的间距，即第二隔离介质层4的厚度为5～60nm,第三石墨烯层与第四石墨烯层的间距，即第五隔离介质层10的厚度为5～60nm。

进一步的，所述第一高折射率材料层7的宽度为170～240nm，高度为90～210nm；第二高折射率材料层8的宽度为170～240nm，高度为90～210nm；第一高折射率材料层7与第二高折射率材料层8的间距，即水平狭缝高度为10～60nm；第三高折射率材料层9的宽度为170～240nm，高度为210～490nm；第四高折射率材料层13的宽度为170～240nm，高度为210～490nm；两个竖直狭缝的宽度均为30～100nm。

进一步的，所述第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层即隔离介质层4，第四隔离介质层、第五隔离介质层、第六隔离介质层即隔离介质层10均由绝缘材料构成。

进一步的，所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氧化物或六方硼氮氧化物。

进一步的，所述第一高折射率材料层7、第二高折射率材料层8、第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13的材料为砷化镓、硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。

进一步的，所述的衬底层1、水平狭缝、竖直狭缝均由低折射率电介质材料组成，所述的低折射率电介质材料的光折射率均小于第一高折射率层7、第二高折射率层8、第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13的光折射率。

进一步的，所述低折射率电介质材料包括：二氧化硅、氮化硼、氮化硅。

进一步的，所述第一电极5及第二电极6的材料为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯。

本实施例中，波导的有效折射率包括有效折射率实部和有效折射率虚部，通过调谐波导的有效折射率实部的变化可改变光信号的相位，通过调谐波导的有效折射率虚部的变化可改变光信号的幅度。

下面，结合具体实验数据对本实施例作详细说明：

如图1所示，本实施例采用波长1.55μm的光波，衬底层1采用半导体氧化物SiO₂材料；第一高折射率材料层7采用宽度为0.2μm、高度为0.17μm的Si材料；水平狭缝采用高度为0.02μm的半导体氧化物SiO₂材料，两个竖直狭缝采用宽度为0.08μm的半导体氧化物SiO₂材料；第二高折射率材料层8采用宽度为0.2μm、高度为0.17μm的Si材料；第三高折射率材料层9采用宽度为0.2μm、高度为0.36μm的Si材料；第四高折射率材料层9采用宽度为0.2μm、高度为0.36μm的Si材料；第一石墨烯层2与第二石墨烯层3之间，即第二隔离介质层4采用10nm厚的hBN(六方氮化硼)材料，第三石墨烯层11与第四石墨烯层12之间，即第五隔离介质层10采用10nm厚的hBN(六方氮化硼)材料。SiO₂、Si和hBN材料的光折射率分别为1.44、3.47和1.98；第一石墨烯层2和第二石墨烯层3的重叠部分的宽度为0.76μm；第三石墨烯层4和第四石墨烯层5的重叠部分的宽度为0.76μm；第一电极5和第二电极6的材料为钯。

图2是本发明实施例中的TM模模场分布示意图；图3是本发明实施例中的TE模模场分布示意图；从图中明显可见，TM和TE模分别被限制在水平和竖直狭缝中，增强了石墨烯与光的相互作用。

图4是本发明实施例波导中TM模和TE模有效折射率随费米能级变化的对比曲线图，图中N表示有效折射率的实部；α表示TM和TE模的吸收系数；对于TM模，当石墨烯化学势从0.42～1eV时，TM模有效折射率实部的改变量△N_TM＝0.015。对于TE模，当石墨烯化学势从0.42～1eV时，TE模有效折射率实部的改变量△N_TE＝0.015。从图4可知TE模和TM模有效折射率实部改变量相同，且变化趋势一致；TE模与TM模的吸收系数曲线完全重合，所以此结构满足偏振无关调制的特性。另外，当石墨烯化学势从0.42～1eV变化时，TE模和TM模有效折射率实部改变量线性变化，同时在此变化范围内，两者吸收系数均保持在较低水平，即此范围内的光吸收损耗很小，这些特性也满足了相位调制器的特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：该结构包括衬底层1、形成于所述衬底上的石墨烯H型狭缝光波导结构和电极结构；所述衬底上的双层石墨烯H型狭缝光波导结构由第一高折射率材料层7、第二高折射率材料层8、第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13、低折射率材料层组成的H型狭缝、底端双层石墨烯、顶端双层石墨烯组成；所述底端双层石墨烯结构位于H型狭缝的底端，顶端双层石墨烯位于H型狭缝的顶端，且顶端双层石墨烯结构位于衬底层上端面；所述底端双层石墨烯结构依次设置的是第一隔离介质层、第一石墨烯层2、第二隔离介质层、第二石墨烯层3、第三隔离介质层；所述第一高折射率材料层上方为水平狭缝，水平狭缝上方为第二高折射率材料层，第一高折射率材料层、水平狭缝、第二高折射率材料层左右两边为两个竖直狭缝，两个竖直狭缝分别紧挨第三高折射率材料层9和第四高折射率材料层13；所述水平狭缝和两个竖直狭缝即低折射率材料层，构成H型狭缝；所述顶端双层石墨烯结构依次设置的是第四隔离介质层、第三石墨烯层11、第五隔离介质层、第四石墨烯层12、第六隔离介质层；所述电极结构包括第一电极5和第二电极6，所述第一电极5沉积在第一石墨烯层2、第五隔离介质层和第四石墨烯层12延伸部分的上端面，第二电极6沉积在第二石墨烯层3、第四隔离介质层和第三石墨烯层11延伸部分的上端面。

2.根据权利要求1所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述第一石墨烯层2与第二石墨烯层3的间距，即隔离介质层4的厚度为5～60nm,第三石墨烯层与第四石墨烯层的间距，即隔离介质层10的厚度为5～60nm。

3.根据权利要求1或2所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述的隔离介质层4、隔离介质层10均由绝缘材料构成。

4.根据权利要求2所述的石墨烯狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

5.根据权利要求3所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述第一高折射率材料层7的宽度为170～240nm，高度为90～210nm；第二高折射率材料层8的宽度为170～240nm，高度为90～210nm；第一高折射率材料层7与第二高折射率材料层8的间距，即水平狭缝高度为10～60nm；第三高折射率材料层9的宽度为170～240nm，高度为210～490nm；第四高折射率材料层13的宽度为170～240nm，高度为210～490nm；第一高折射率材料层7、水平狭缝、第二高折射率材料层8与第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13的间距，即竖直狭缝宽度为30～100nm。

6.根据权利要求4所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述的第一高折射率材料层7、第二高折射率材料层8、第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13的材料为砷化镓、硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体。

7.根据权利要求5所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述的衬底层1、水平狭缝、竖直狭缝均由低折射率电介质材料组成，所述的低折射率电介质材料的光折射率均小于第一高折射率层7、第二高折射率层8、第三高折射率材料层9、第四高折射率材料层13的光折射率。

8.根据权利要求5所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述的低折射率材料包括：二氧化硅、氮化硼、氮化硅。

9.根据权利要求6所述的石墨烯H型狭缝波导偏振无关电光调制器结构设计，其特征在于：所述第一电极5和第二电极6的材料为金、银、铜、铂、钛、镍、钴或钯。