CN110133799A - 基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光学技术领域，为提出一种新的偏振光耦合器，本发明，基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法，由石墨烯纳米带、纳米线、反锥形光耦合器、和波导构成；所述的纳米线与反锥形光耦合器相连，反锥形光耦合器与波导相连，用于实现外部光源与波导之间的偏振光耦合；纳米线中的传播光通过倏逝场形式与石墨烯纳米带发生相互作用；通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的光场强度远远小于横磁模的光场强度，石墨烯纳米带对纳米线中横磁模光场的吸收远大于对横电模光场的吸收，最终实现对波导的横电模光场耦合。本发明主要应用于设计制造场合。

Description

基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法。
背景技术
石墨烯是一种新型的二维材料，具有很多独特的光学和光电特性，例如：超高的载流子迁移率，零带隙，高非线性特性等，因此在光互联，光通信和非线性光学等方面具有巨大的应用前景。近年来，科研工作者将石墨烯与硅基集成光路相结合，开发出了很多新型的石墨烯/硅混合集成器件。在这类器件中，在硅波导中传播的光可以通过倏逝波与表面集成的石墨烯发生平面的相互作用。这种结构的优点是：在利用单原子层石墨烯独特的物理特性的同时，不会受到光与物质相互作用较弱的局限性。另外，石墨烯还具有成本低，可大批量制造，易于与片上其他器件集成等优点，因此，石墨烯/硅混合集成光路被认为是传统硅基光子集成平台的优秀替代品之一。在过去几年中，石墨烯/硅混合集成器件的研究已取得了众多研究成果，包括电光器件调制器，高速和宽带光电探测器，和高非线性波导等。
偏振器是集成光学中的一种关键器件，在近些年一直受到关注和研究，特别是基于石墨烯的波导集成的偏振器是近年来的一个热门研究领域。在这类器件中，石墨烯纳米器件被设计制作在光子芯片上，使其可以选择性地与横电模(TE)或横磁模(TM)发生相互作用，导致石墨烯纳米器件对波导内某一偏振光(TE模或者TM模)产生强烈的吸收。到目前为止，人们已经开发了很多种石墨烯偏振器。首次关于基于石墨烯的波导集成的偏振器的报道发表于2012年，J.T.Kim等人在聚合物波导上基于石墨烯制作了TE模偏振器(OpticsExpress20,3556-3562，2012)，并于2018年实现了此类偏振器的偏振调控(Laser&Photonics Reviews12,1800142，2018)；2014年，W.Lim等人研制出基于氧化石墨烯的波导集成的TE模偏振器(Optics Express22,11090-11098，2014)；2015年，X.Yin等人设计了嵌入硅基波导槽中的多层石墨烯TE模偏振器(Optics Letters40,1733-1736，2015)，并于2016年提出用级联多个石墨烯纳米器件来替代多层石墨烯结构(Journal of LightwaveTechnology34,3181-3187，2016)；2015年，C.Pei等人研制出了一种石墨烯/玻璃混合波导TE模偏振器(IEEE Photonics Technology Letters27,927-930，2015)；2017年X.Hu等人研制出一种紧凑型TM模偏振器(IEEE Photonics Journal.9,1-10，2017)。在专利方面，2015年，电子科技大学陆荣国等人通过在石墨烯纳米器件两端施加驱动电压调控波导，实现对TM模和TE模选择性的吸收，并申请了中国发明专利(201410824188.1)。然而，过去的工作通常面临器件加工制作困难，以及对传输光高插入损耗的问题，因此，基于石墨烯的波导集成的偏振器的研究仍不成熟。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法。为此，本发明采取的技术方案是，基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，由石墨烯纳米带、纳米线、反锥形光耦合器、和波导构成；所述的纳米线与反锥形光耦合器相连，反锥形光耦合器与波导相连，用于实现外部光源与波导之间的偏振光耦合；所述的石墨烯纳米带集成于纳米线的上方，纳米线中的传播光通过倏逝场形式与石墨烯纳米带发生相互作用；通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的光场强度远远小于横磁模的光场强度，石墨烯纳米带对纳米线中横磁模光场的吸收远大于对横电模光场的吸收，最终实现对波导的横电模光场耦合。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，所述的纳米线、反锥形光耦合器和波导的材料是硅、锗、硅锗混合物、氮化硅或硫化物玻璃中的一种。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，所述的石墨烯纳米带可以集成在纳米线上，也可以集成在纳米线的绝缘体包层上。
所述的一种基于石墨烯的平面光波导偏振器，所述的石墨烯纳米结构可以是单层石墨烯，可以是多层石墨烯，也可以是由石墨烯-绝缘层-石墨烯组成的多层材料。
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，首先，纳米线、反锥形光耦合器、和波导采用纳米加工方法制作完成；然后，绝缘体包层采用化学气相沉积法，或者磁控溅射，或者热蒸镀法制作在芯片上；其次，采用化学机械研磨法加工芯片以控制芯片上绝缘包层的厚度；最后，将石墨烯纳米带采用纳米加工方法制作在纳米线上。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，所述的纳米加工方法可以是采用电子束曝光结合刻蚀完成，可以是采用光刻结合刻蚀完成，也可以是采用聚焦离子束制作完成。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，所述的石墨烯可以是转移到芯片上，也可以是直接生长在芯片上。
本发明的特点及有益效果是：
(1)针对晶圆级加工设计器件的制作工艺，与现有的CMOS技术完全兼容。
(2)采用了一种新型的方法，即通过优化纳米线和石墨烯纳米带的几何尺寸，调控石墨烯纳米带与光场的相互作用，从而获得了较高的TM模-TE模消光比，以及较小的TE模光学插入损耗。
附图说明：
图1为本发明实施例提供的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的结构示意图。
图2为一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的侧视图。
图3为一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的俯视图。
图4为本发明所涉及的两种具体实施例的横电模与横磁模的透射光谱。
具体实施方式
为解决现有技术中存在的问题，本发明采取了如下技术方案：
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，包括：石墨烯纳米带、纳米线、反锥形光耦合器、和波导组成；所述的纳米线与反锥形光耦合器相连，反锥形光耦合器与波导相连，用于实现外部光源与波导之间的偏振光耦合；所述的石墨烯纳米带集成于纳米线的上方，纳米线中的传播光通过倏逝场形式与石墨烯纳米带发生相互作用；通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的光场强度远远小于横磁模的光场强度，因此，石墨烯纳米带对纳米线中横磁模光场的吸收远大于对横电模光场的吸收，最终实现对波导的横电模光场耦合。
具体通过设计石墨烯纳米带的宽度(100-300nm)和纳米线的宽度(100-300nm)调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的纳米线、反锥形光耦合器和波导的材料可以是硅，可以是锗，可以是硅锗混合物，可以是氮化硅，也可以是硫化物玻璃。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的石墨烯纳米带可以集成在纳米线上，也可以集成在纳米线的绝缘体包层上。
所述的一种基于石墨烯的平面光波导偏振器，其特征是，所述的石墨烯纳米结构可以是单层石墨烯，可以是多层石墨烯，也可以是由石墨烯-绝缘层-石墨烯组成的多层材料。
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，首先，所述的纳米线、反锥形光耦合器、和波导采用纳米加工方法制作完成；然后，绝缘体包层采用化学气相沉积法，或者磁控溅射，或者热蒸镀法制作在芯片上；其次，采用化学机械研磨法加工芯片以控制芯片上绝缘包层的厚度；最后，将石墨烯纳米带采用纳米加工方法制作在纳米线上。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，所述的纳米加工方法可以是采用电子束曝光结合刻蚀完成，可以是采用光刻结合刻蚀完成，也可以是采用聚焦离子束制作完成。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，所述的石墨烯可以是转移到芯片上，也可以是直接生长在芯片上。
如图1，图2和图3所示一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，首先，所述的纳米线4、反锥形光耦合器2、波导3等是基于商用的硅-绝缘体(SOI)晶圆所设计，采用纳米加工方法制作在底部的绝缘层6与衬底层7上；然后，绝缘体包层5采用化学气相沉积法或者磁控溅射或者热蒸镀法制作在芯片上；其次，采用化学机械研磨法加工芯片以控制芯片上绝缘体包层5的厚度；最后，将石墨烯纳米带1采用纳米加工方法制作在纳米线上。
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器：纳米线长度为150μm，宽度为180nm，厚度为340nm，石墨烯纳米带的宽度为180nm，长度为150μm，将石墨烯纳米带采用纳米加工方法制作在纳米线上。通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的电场强度远小于横磁模的电场强度，使得石墨烯纳米结构对于横磁模的吸收远大于横电模的吸收，横磁模-横电模消光比为10.5dB，TE模光学损耗低至0.33dB。光谱带宽可覆盖1450nm至1690nm。器件采用CMOS兼容的工艺设计制作，是一种可实现多种器件片上集成应用的新途径。
具体实施方式2
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，包括：石墨烯纳米带、纳米线、反锥形光耦合器、和波导组成；所述的纳米线与反锥形光耦合器相连，反锥形光耦合器与波导相连，用于实现外部光源与波导之间的偏振光耦合；所述的石墨烯纳米带集成于纳米线的上方，纳米线中的传播光通过倏逝场形式与石墨烯纳米带发生相互作用；通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的光场强度远远小于横磁模的光场强度，因此，石墨烯纳米带对纳米线中横磁模光场的吸收远大于对横电模光场的吸收，最终实现对波导的横电模光场耦合。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的纳米线、反锥形光耦合器和波导的材料可以是硅，可以是锗，可以是硅锗混合物，可以是氮化硅，也可以是硫化物玻璃。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的石墨烯纳米带可以集成在纳米线上，也可以集成在纳米线的绝缘体包层上。
所述的一种基于石墨烯的平面光波导偏振器，其特征是，所述的石墨烯纳米结构可以是单层石墨烯，可以是多层石墨烯，也可以是由石墨烯-绝缘层-石墨烯组成的多层材料。
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，首先，所述的纳米线、反锥形光耦合器、和波导采用纳米加工方法制作完成；纳米线是通过微纳米加工技术制作在芯片上，然后，绝缘体包层采用化学气相沉积法，或者磁控溅射，或者热蒸镀法制作在芯片上，即，通过化学气相沉积法，或者磁控溅射，或者热蒸镀法在制作好的波导上面制作一层绝缘体包层；其次，采用化学机械研磨法加工芯片以控制芯片上绝缘包层的厚度；最后，将石墨烯纳米带采用纳米加工方法制作在纳米线上。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，所述的纳米加工方法可以是采用电子束曝光结合刻蚀完成，可以是采用光刻结合刻蚀完成，也可以是采用聚焦离子束制作完成。
所述的一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，所述的石墨烯可以是转移到芯片上，也可以是直接生长在芯片上。
如图1，图2和图3所示一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，首先，所述的纳米线4、反锥形光耦合器2、波导3等是基于商用的硅-绝缘体(SOI)晶圆所设计，采用纳米加工方法制作在底部的绝缘层6与衬底层7上；然后，绝缘体包层5采用化学气相沉积法或者磁控溅射或者热蒸镀法制作在芯片上；其次，采用化学机械研磨法加工芯片以控制芯片上绝缘体包层5的厚度；最后，将石墨烯-绝缘层-石墨烯纳米带1采用纳米加工方法制作在纳米线上。
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器：纳米线长度为150μm，宽度为180nm，厚度为340nm，石墨烯-绝缘层-石墨烯纳米带的宽度为180nm，长度为150μm，石墨烯-绝缘层-石墨烯纳米带为三明治结构，其中上、下石墨烯层由单层石墨烯构成，中间绝缘层的高度为10nm，石墨烯-绝缘层-石墨烯纳米带采用纳米加工方法制作在纳米线上。通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的电场强度远小于横磁模的电场强度，使得石墨烯纳米结构对于横磁模的吸收远大于横电模的吸收，横磁模-横电模消光比为20.1dB，TE模光学损耗低至0.68dB。光谱带宽可覆盖1450nm至1690nm。器件采用CMOS兼容的工艺设计制作，是一种可实现多种器件片上集成应用的新途径。
最后，本实施例的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，由石墨烯纳米带、纳米线、反锥形光耦合器、和波导构成；所述的纳米线与反锥形光耦合器相连，反锥形光耦合器与波导相连，用于实现外部光源与波导之间的偏振光耦合；所述的石墨烯纳米带集成于纳米线的上方，纳米线中的传播光通过倏逝场形式与石墨烯纳米带发生相互作用；通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的光场强度远远小于横磁模的光场强度，石墨烯纳米带对纳米线中横磁模光场的吸收远大于对横电模光场的吸收，最终实现对波导的横电模光场耦合。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的纳米线、反锥形光耦合器和波导的材料是硅、锗、硅锗混合物、氮化硅或硫化物玻璃中的一种。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的石墨烯纳米带可以集成在纳米线上，也可以集成在纳米线的绝缘体包层上。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器，其特征是，所述的石墨烯纳米结构可以是单层石墨烯，可以是多层石墨烯，也可以是由石墨烯-绝缘层-石墨烯组成的多层材料。
5.一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，首先，纳米线、反锥形光耦合器、和波导采用纳米加工方法制作完成；然后，绝缘体包层采用化学气相沉积法，或者磁控溅射，或者热蒸镀法制作在芯片上；其次，采用化学机械研磨法加工芯片以控制芯片上绝缘包层的厚度；最后，将石墨烯纳米带采用纳米加工方法制作在纳米线上。
6.如权利要求5所述的基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，所述的纳米加工方法可以是采用电子束曝光结合刻蚀完成，可以是采用光刻结合刻蚀完成，也可以是采用聚焦离子束制作完成。
7.如权利要求5所述的基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器的制作方法，其特征是，所述的石墨烯可以是转移到芯片上，也可以是直接生长在芯片上。
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