CN110147023A - 一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法，在硅基纳米线、绝缘体硅和绝缘层上制作一层隔离层，并在隔离层上覆盖石墨烯层。通过石墨烯的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应，使得在不需要高泵浦功率的泵浦光情况下也能产生较好的拉曼放大效应。利用石墨烯对光的折射率大，对光吸收强的特性能将光聚集在硅基纳米线内部。此外，相比于在硅上集成其它模块，石墨烯易于与基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光互联网络上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法。
背景技术
近年来随着云计算、虚拟化、高清视频、电子商务、社交网络以及飞速发展的高速无线网络等各种新兴业务的不断涌现，全球互联网总流量不断增加，将推动下一代超级计算机和云数据中心朝着大带宽、小尺寸、高性能的片上光互联网络发展。在光互联得到大规模应用之前，短距离通信一般使用铜缆进行电互联。然而，电互联传输带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大等缺点，已经不满足日益增长的网络带宽需求。与电互联相比，基于多模光纤的光互联具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等有点，而开始广泛地应用于机柜间、框架间和板间的高速互联。值得一提的是，纳米级光互联将作为一种新兴的互联方式，具有极大带宽、极小功耗，将在未来的高性能计算服务器的芯片对芯片甚至芯片内通信中发挥主要作用。
纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件，对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学技术至关重要。如能将这些纳米级器件做在硅基衬底上，将引领片上光互连的革命性发展，因而成为近几十年来国际学术界和科技产业界共同关注的焦点之一。现有硅基光放大器的主要问题可以概括为：
(1)基于硅波导的受激拉曼光放大器。当泵浦光和信号光同时存在于斯托克斯跃迁处的频率谐振，则信号光触发另一个拉曼斯托克斯光子的产生，并且实现SRS并且放大成为可能。但该结构一般需要在波导两个端面镀膜，不利于与其他器件集成，还需要高泵浦功率激发，将伴随双光子吸收(TPA)和自由载流子吸收(FCA)带来的损耗。
(2)掺杂硅基光放大器。铒(Er)是一种有效的掺杂元素，其发光波长约为1.55mm，而其他稀土掺杂元素可以根据需要用于其他波长。硅在室温下的发射和放大效率很低，但在富硅氧化物(SRO)中形成的硅纳米晶体(Si-NCS)是实现光致发光和电致发光的有效材料。基于掺杂硅纳米晶体的光放大器具有较高的发光和放大效率，但仍需要高泵浦功率，使其无法用于片上光互联。
(3)混合III-V族光放大器很容易通过电泵作用获得高光放大效率，但主要挑战是在硅衬底上生长高质量III-V族材料，由于Si和III-V族材料之间存在较大的晶格失配，会导致界面缺陷以及较大的功率损耗。同时，将高质量的III-V族材料直接生长到硅片上也需要较高温度，会对硅片上的其他集成模块产生不利影响。
在实际应用过程中，发明人发现现有的拉曼放大器需要高泵浦功率的泵浦光才能产生较好的拉曼放大效应，拉曼放大器的拉曼放大效应较小，且不利于与其它器件集成。
发明内容
本发明实施例提供一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法，用以解决现有技术中拉曼放大器需要高泵浦功率的泵浦光才能产生较好的拉曼放大效应，拉曼放大器的拉曼放大效应较小，且不利于与其它器件集成的问题。
针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，包括衬底、绝缘层、硅基纳米线、绝缘体硅、第一硅基耦合器、第二硅基耦合器、隔离层和石墨烯层；
所述绝缘层设置在所述衬底上，一维的所述硅基纳米线设置在所述绝缘层上，且在所述硅基纳米线的两端均设置有绝缘体硅，所述第一硅基耦合器设置在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内，所述第二硅基耦合器设置在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内；
所述隔离层覆盖在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上，所述石墨烯层覆盖在所述隔离层上；
其中，传输到所述拉曼放大器的泵浦光和信号光由所述第一硅基耦合器传入，并由所述第二硅基耦合器传出；通过石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应。
可选地，还包括第一电极和第二电极；
所述第一电极和所述第二电极设置在所述硅基纳米线的两侧；
其中，通过调整所述第一电极和所述第二电极之间的电压调整石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用的强弱。
可选地，所述第一电极设置在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上，且在所述第一电极和所述石墨烯层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上，且在所述第二电极和所述石墨烯层之间没有氧化层；
所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由Al2O3形成。
可选地，所述石墨烯层由单层碳原子排列形成。
可选地，所述衬底由硅形成，所述绝缘层和所述隔离层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于0.5微米且小于或等于1微米，所述隔离层的厚度为5纳米。
本实施例提供了一种如以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的制备方法，包括：
在所述衬底上形成所述绝缘层，在所述绝缘层上形成所述硅基纳米线，在所述硅基纳米线的两端分别制作绝缘体硅，并在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内制作所述第一硅基耦合器，在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内制作所述第二硅基耦合器；
在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上形成所述隔离层；
将预先通过化学气相沉积法形成的所述石墨烯层机械转移到所述隔离层上。
可选地，还包括：
在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上形成氧化层，在所述氧化层上通过电子束刻蚀技术形成所述第一电极；
在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上通过电子束刻蚀技术形成所述第二电极。
本实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统，包括泵浦源、信号光源、光调制器和如以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器；
所述泵浦源向所述光调制器输入泵浦光，所述信号光源向所述光调制器输入信号光，由所述光调制器输出偏正方向一致的泵浦光和信号光；
由所述光调制器输出的泵浦光和信号光通过所述拉曼放大器的第一硅基耦合器传入所述拉曼放大器，并从所述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出。
可选地，还包括光电探测器；
所述光电探测器接收由所述述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出的泵浦光和信号光，以检测传入所述拉曼放大器的信号光是否经过拉曼放大。
本实施例提供了一种CMOS光电子器件，包括以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器。
本发明实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法，在硅基纳米线、绝缘体硅和绝缘层上制作一层隔离层，并在隔离层上覆盖石墨烯层。通过石墨烯的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应，使得在不需要高泵浦功率的泵浦光情况下也能产生较好的拉曼放大效应。利用石墨烯对光的折射率大，对光吸收强的特性将光聚集在硅基纳米线内部，。此外，相比于在硅上集成其它模块，石墨烯易于与基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光互联网络上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统组成示意图；
图2是本发明另一个实施例提供一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的俯视图；
图3是本发明另一个实施例提供的基于石墨烯和硅基纳米线的
拉曼放大器的侧视图；
图4是本发明另一个实施例提供的拉曼放大器中泵浦光和信号光的时间演化对比示意图，其中，(a)为泵浦光的时间演化图，(b)为信号光的时间演化图；
图5是本发明另一个实施例提供的拉曼放大器中泵浦光和信号光的光谱演化对比示意图，其中，(a)为泵浦光的光谱演化图，(b)为信号光的光谱演化图；
图6是本发明另一个实施例提供的不同泵浦光功率下的拉曼放大效率曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在介绍本实施例提供的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器之前，先对石墨烯进行简单介绍。石墨烯是一种单层碳原子，排列在具有线性、无质量、零带系结构的蜂窝状晶格中。首先，石墨烯是零带隙结构，使得其电荷载流子产生可以通过超宽能谱上的光吸收实现，范围包括紫外、可见、短波红外、近红外，中红外，远红外和太赫兹光谱区，这是任何其他材料所无法比拟的。此外，石墨烯具有超快载流子动力学，与波长无关的吸收，通过静电掺杂可调谐光学性质，低耗散率和高迁移率，以及将电磁能量限制在前所未有小体积上的能力。特别地，高载流子迁移率使光子或等离子体的超快转换成电流或电压。石墨烯能够与高度成熟的基于硅的电子、光子学平台兼容，使其成为低成本、大规模集成到光电网络和多像素CMOS读出电路的一种重要材料。
由于石墨烯是一种薄膜材料，光在薄膜中传播时相互作用距离较短，从而限制了石墨烯的非线性光学效应。为了解决该问题，石墨烯和其他材料集成的混合波导可能成为理想的方案。近年来，人们已经研发了一些基于石墨烯的光电子器件，从用于光探测和调制(混合石墨烯硅波导)、偏振和波长转换(石墨烯包层光纤)和四波混频(石墨烯硅混合光腔)。这些混合结构可以通过将消逝场耦合到石墨烯层中而大大增加相互作用的长度。近十年来，硅波导在许多非线性应用中得到了广泛的发展，由于折射率对比度大，非线性响应也很高，因此具有较好的光限制能力。将石墨烯与硅(SOI)纳米线波导集成，用于宽带非线性光学放大的石墨烯-硅混合波导是非常有吸引力的。
图1是本实施例提供的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统组成示意图，图2是本实施例提供的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的俯视图，参见图1和图2，该基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器包括衬底101、绝缘层102、硅基纳米线103、绝缘体硅104、第一硅基耦合器105、第二硅基耦合器106、隔离层107和石墨烯层108；
所述绝缘层102设置在所述衬底101上，一维的所述硅基纳米线103设置在所述绝缘层102上，且在所述硅基纳米线103的两端均设置有绝缘体硅104，所述第一硅基耦合器105设置在所述硅基纳米线103一端的绝缘体硅104内，所述第二硅基耦合器106设置在所述硅基纳米线103另一端的绝缘体硅104内；
所述隔离层107覆盖在所述硅基纳米线103、绝缘体硅104和露出的绝缘层102上，所述石墨烯层108覆盖在所述隔离层107上；
其中，传输到所述拉曼放大器的泵浦光和信号光由所述第一硅基耦合器105传入，并由所述第二硅基耦合器106传出；通过石墨烯层108的表面等离子体激元和硅基纳米线103的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线103对传输的信号光的拉曼放大效应。
本实施例提供的拉曼放大器中硅基纳米线为一维结构，在硅基纳米线上制作石墨烯层，利用两者都具有的强烈的三阶非线性光学特性，使得石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合，从而增强硅基纳米线对其传输的光的拉曼放大作用，即增大拉曼放大倍数。通常，硅基纳米线的宽度为220nm，长度在500nm-1000nm之间。当泵浦光的波长大于1.2微米，信号光的波长大于1.2微米，且输入到拉曼放大器中的泵浦光和信号光满足泵浦光的频率与信号光的频率之差为15.6THz时，拉曼放大器即可对输入到其内的信号光进行拉曼放大。
需要说明的是，本实施例中的“露出的绝缘层”指的是绝缘层表面未被硅基纳米线和绝缘体硅覆盖的部分。
具体来说，本实施例提供的拉曼放大器主要通过设计合适的一维硅基纳米线，并将单层石墨烯用作增益材料，与一维硅基纳米线耦合，实现增强混合结构的拉曼非线性放大倍数的作用。由于石墨烯和硅基纳米线的强耦合作用，以及石墨烯优异的力、热、光、电学性质，该基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器不仅具有超大拉曼光放大效率、超快调制速率、超宽运行光谱，还易于与高度成熟的硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容的，是解决硅基片上光放大器的重要解决方案。具体地，设计合适的一维硅基纳米线，并将单层石墨烯用作增益材料，与一维硅基纳米线耦合，获得具有超大拉曼非线性系数的混合结构用作光放大器。当一定功率的泵浦光和满足条件的信号光同时从一维硅基纳米线的输入端入射，便可在输出端获得经过拉曼放大的信号光。
本实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，在硅基纳米线、绝缘体硅和绝缘层上制作一层隔离层，并在隔离层上覆盖石墨烯层。通过石墨烯的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应，使得在不需要高泵浦功率的泵浦光情况下也能产生较好的拉曼放大效应。利用石墨烯对光的折射率大，对光吸收强的特性将光聚集在硅基纳米线内部，。此外，相比于在硅上集成其它模块，石墨烯易于与基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光互联网络上。
其中，本实施例中第一硅基耦合器和第二硅基耦合器均制作在绝缘体硅(SOI)上，绝缘体硅(SOI)材料平台是将光互联完美集成到芯片级网络中的重要方法之一。由于硅光子波导独特的光学特性，采用基于硅光电子学的系统互连不仅仅意味着用硅基光波导代替铜线，而且还可以用来实现芯片上光网络所需的关键功能。因此，不仅硅基光波可以促进超高带宽数据通信，而且其强色散特性和大光学非线性允许芯片实现许多功能模块，包括光学调制器和开关、接收器、模式复用器、光学放大器和变频器。但是基于SOI的片上光源很难实现，主要原因在于：硅是间接电子带隙结构，在传统基于发射的激光器中电子-空穴对复合导致光子发射，这是非常困难的。因此硅基光源需要研究受激拉曼发射源。
进一步地，在上述实施例的基础上，图3是本实施例提供的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的侧视图，参见图3，该拉曼放大器还包括第一电极110和第二电极111；
所述第一电极110和所述第二电极111设置在所述硅基纳米线103的两侧；
其中，通过调整所述第一电极110和所述第二电极111之间的电压调整石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用的强弱。
为了增强石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用，以获得更好的拉曼放大效应，本实施例在硅基纳米线的两侧各设置一个电极，通过电极之间的电压实现对耦合作用强弱的调控。第一电极和第二电极之间的电压实际上调控的是石墨烯层的吸收峰的波长。因此，进一步地，当通过调整所述第一电极和所述第二电极之间的电压使得石墨烯层的吸收峰的波长与泵浦光波长相等时，石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用最强，拉曼放大器达到最好的拉曼放大效应。
进一步地，在上述各实施例的基础上，如图3所示，所述第一电极110设置在所述硅基纳米线103一侧的石墨烯层108上，且在所述第一电极110和所述石墨烯层108之间设置有氧化层109，所述第二电极111设置在所述硅基纳米线103另一侧的石墨烯层108上，且在所述第二电极111和所述石墨烯层108之间没有氧化层；
所述第一电极110和所述第二电极111均由金或钛形成，所述氧化层由Al2O3形成。
第一电极和石墨烯层之间设置了氧化层，而第二电极和石墨烯层之间没有设置氧化层。考虑到石墨烯的类金属性，在不提供三极管的栅极的情况下，本实施例提供的第一电极相当于三极管的栅电极，第二电极相当于三极管的漏电极，通过调节第一电极和第二电极调节石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用的强弱，从而实现拉曼放大器拉曼放大作用的调控。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述石墨烯层由单层碳原子排列形成。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述衬底由硅形成，所述绝缘层和所述隔离层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于0.5微米且小于或等于1微米，所述隔离层的厚度为5纳米。
具体来说，本实施例提供的拉曼放大器中，纳米级石墨烯-硅基光波导的拉曼散射效应对信号光进行放大，不需要通过复杂的材料生长和微纳加工工艺，且不需要超高泵浦光功率。基于石墨烯-硅基纳米线的拉曼放大器的光放大效率高达40dB,而且能在1.2-2.5μm中红外范围内进行放大，满足超级计算机、大数据中心的工作波长(1310nm)和现代通信波段(1550nm)的需求。不需要在波导两个端面镀膜，克服了“基于硅波导的受激拉曼光放大器”方案不利于与其他器件集成的缺点；不需要高泵浦功率，克服了“基于硅波导的受激拉曼光放大器”和“掺杂硅基放大器”方案无法用于片上光互联的缺点；不需要在硅衬底上生长高质量III-V族材料，克服了“混合III-V族光放大器”方案晶格失配、较大功率损耗以及不易集成的缺点。因此，本实施例提供的拉曼放大器对于硅基片上光放大器的实现、集成化和小型化、光放大效率提升意义重大，对于片上光互联、片上光源和未来高性能计算机的发展意义重大。
本实施例提供了如以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的制备方法，包括：
在所述衬底上形成所述绝缘层，在所述绝缘层上形成所述硅基纳米线，在所述硅基纳米线的两端分别制作绝缘体硅，并在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内制作所述第一硅基耦合器，在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内制作所述第二硅基耦合器；
在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上形成所述隔离层；
将预先通过化学气相沉积法形成的所述石墨烯层机械转移到所述隔离层上。
硅基耦合器用于将光从与硅基耦合器连接的光纤中传播到硅基纳米线中，减小传输损耗，或者用于将光从硅基纳米线中传出。硅基耦合器设置在绝缘体硅内部。硅基纳米线满足单模模式，具备高折射率对比度和模式限制因子,其拉曼放增益大于损耗，工作波长范围是1.2-2.5μm。隔离层二氧化硅制作在一维硅基纳米线之上，在单层石墨烯之下，其厚度为5纳米。
进一步地，在上述各实施例的基础上，还包括：
在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上形成氧化层，在所述氧化层上通过电子束刻蚀技术形成所述第一电极；
在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上通过电子束刻蚀技术形成所述第二电极。
具体地，单层石墨烯是采用化学气相沉积法(CVD)生长的，然后被机械转移到隔离层二氧化硅上。用原子层沉积法在单层石墨烯一侧表面镀一层10nm的Al2O3薄膜(氧化层)，并采用电子束刻蚀技术蒸发钛/金(5nm/70nm),分别沉积在Al2O3薄膜上和另一侧的单层石墨烯上表面，完成第一电极和第二电极的制作。
在调节拉曼放大器的过程中，可以通过在第一电极和第二电极之间加上合适的电压，该电压主要是用来调节单层石墨烯谐振峰的位置，实现单层石墨烯与一维硅基纳米线的强耦合作用，进而增强受激拉曼效应，用来补偿双光子吸收和自由载流子吸收引起的损耗，增加受激拉曼激光的转换效率。
图5为本实施例提供的拉曼放大器中泵浦光和信号光的光谱演化示意图，参见图5，图5中的编号(a)表示泵浦光的光谱演化，图5中的编号(b)表示信号光的光谱演化，泵浦激光采用垂直于一维硅基纳米线横截面的方向泵浦一维硅基纳米线，信号光也垂直于一维硅基纳米线的横截面，这种实现方式的放大器主要为平面内传输的拉曼放大器。且这种光的出射方式为石墨烯-硅基纳米线拉曼放大器与其他光电子器件在单片上的集成提供了很好的思路。
参见图1，本实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统，包括泵浦源、信号光源、光调制器和如以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器；
所述泵浦源向所述光调制器输入泵浦光，所述信号光源向所述光调制器输入信号光，由所述光调制器输出偏正方向一致的泵浦光和信号光；
由所述光调制器输出的泵浦光和信号光通过所述拉曼放大器的第一硅基耦合器传入所述拉曼放大器，并从所述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出。
第一硅基耦合器与从光调制器出来的锥形光纤相连，将从光调制器输出的泵浦光和信号光传输到拉曼放大器中，经过拉曼放大后的光从第二硅基耦合器传出。
进一步地，参见图1，为了检测拉曼放大器对信号光的拉曼放大作用，在上述实施例的基础上，还包括光电探测器；
所述光电探测器接收由所述述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出的泵浦光和信号光，以检测传入所述拉曼放大器的信号光是否经过拉曼放大。
在本实施例提供的系统中，第二硅基耦合器通过锥形光纤与光电探测器连接，通过光电探测器测量拉曼放大器传出的信号光的波长和功率，进而通过与输入到拉曼放大器中的信号光对比，确定拉曼放大器的拉曼放大效果。
以下对拉曼放大器的使用过程进行示例描述，拉曼放大器工作时，如图1-图3所示，在单层石墨烯上的第一电极和第二电极之间施加电压，泵浦激光采用掺Er光纤激光器和滤光片导出的1434nm的半导体激光，功率大约1W,泵浦光是利用单模光纤与硅基耦合器相连接，然后传播到一维硅基纳米线。与此同时，功率约为0.1mW的1550nm脉冲光或者噪声用作拉曼光(即信号光)，与1434nm的泵浦光一起传播到一维硅基纳米线。泵浦激光足够强时，单层石墨烯与一维硅基纳米线混合结构产生拉曼放大效应，在一维硅基纳米线中传播时，拉曼信号逐渐放大增强，而且在单层石墨烯两侧加上电压后调节了谐振峰的位置，增强了拉曼放大作用。
图4为本实施例提供的拉曼放大器中泵浦光和信号光的时间演化示意图，参见图4，图4中的编号(a)表示泵浦光的时间演化，图4中的编号(b)表示信号光的时间演化，泵浦光(1434nm，1W)和拉曼光(即信号光，1550nm，0.1mW)在传输过程中，泵浦光的功率逐渐减弱，且其波峰劈裂为两个，这是由于光孤子的产生。与此同时，拉曼光的功率从极弱(0.1mW)在超快时间内增强到3W左右，然后由于石墨烯-硅基纳米线的损耗逐渐衰减，在传播距离为5mm处，其放大倍数约为32dB。
参见图5，与泵浦光和拉曼光的时间演化图(如图4所示)类似，泵浦光在1434nm处发生了波峰劈裂，而且通过图6可以观察到拉曼光的功率在超快时间内增大数倍。
此外，随着泵浦光功率的增长，拉曼放大效率也随着增大，图6为本实施例提供的不同泵浦光功率下的拉曼放大效率曲线图，参见图6,当泵浦光功率为0.1W时，其拉曼放大效率为15dB。当泵浦光功率为0.5W时，其拉曼放大效率为28dB。当泵浦光功率为1W时，其拉曼放大效率为32dB。当泵浦光功率为1.5W时，其拉曼放大效率为34dB。通过调整硅基纳米线尺寸拉曼放大效率可达40dB以上。值得一提是，在基于石墨烯-硅基纳米线的拉曼放大器中，泵浦光工作范围是1.2μm-2.5μm，可适用于在同一波段的拉曼光放大。
本实施例提供了一种CMOS光电子器件，包括以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器。
本实例提供的拉曼放大器与其他拉曼放大器相比，具有如下优点：(1)由于强石墨烯-硅基纳米线的强耦合作用，具有超大的拉曼增益系数，因而拉曼放大效率高达40dB，并且拉曼转换效率高。此外，石墨烯和硅基纳米线均具有超快响应速率，保证了石墨烯-硅基纳米线拉曼放大器的快速调制。(2)石墨烯和一维硅基纳米线都具有超大带宽。由于狄拉克费米子的高频动态导电率是恒定的，因而石墨烯的光吸收与波长无关，覆盖了所有的电信带宽以及中远红外。一维硅基纳米线的工作带宽也覆盖了大于1.2μm的频段。因此，石墨烯和一维硅基纳米线的工作波长在很大范围内有重合，保证了基于石墨烯-硅基纳米线的拉曼放大器的超大工作带宽。(3)易于与CMOS工艺集成。石墨烯的非热光电特性及其在晶圆尺度易于与高度成熟的基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容的，使其成为后CMOS光电子器件，因此能够低成本、大规模集成到光互联网络上。
综上，利用单层石墨烯与一维硅基纳米线集成，实现了对1.2-2.5μm拉曼信号光快速放大。本实施例提供的拉曼放大器通过设计合适的一维硅基纳米线，并将单层石墨烯用作增益材料，与一维硅基纳米线耦合，增强混合结构的拉曼非线性放大倍数。由于亚波长横截面和高折射率对比度，一维硅基纳米线的几何结构决定了其光学色散效应和非线性效应。在慢光(群速度小)区域，一维硅基纳米线的拉曼非线性系数超大，能够满足高性能的拉曼放大器需求。一维硅基纳米线几何结构的设计也需要考虑实验条件，如选取的泵浦光激发后产生的拉曼光波长，该波长要一维硅基纳米线的能带内，同时应选择尽可能低的硅基纳米线的本征损耗。更重要的是，通过电学控制调节单层石墨烯的费米面，使其谐振波长要正好对应于泵浦激发的拉曼光波长。该设计方案能大大增强拉曼放大效率，并有效缩小了放大器的体积，对于高速运行、大带宽、集成化的拉曼放大器件发展意义重大。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，包括衬底、绝缘层、硅基纳米线、绝缘体硅、第一硅基耦合器、第二硅基耦合器、隔离层和石墨烯层；
所述绝缘层设置在所述衬底上，一维的所述硅基纳米线设置在所述绝缘层上，且在所述硅基纳米线的两端均设置有绝缘体硅，所述第一硅基耦合器设置在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内，所述第二硅基耦合器设置在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内；
所述隔离层覆盖在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上，所述石墨烯层覆盖在所述隔离层上；
其中，传输到所述拉曼放大器的泵浦光和信号光由所述第一硅基耦合器传入，并由所述第二硅基耦合器传出；通过石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，还包括第一电极和第二电极；
所述第一电极和所述第二电极设置在所述硅基纳米线的两侧；
其中，通过调整所述第一电极和所述第二电极之间的电压调整石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用的强弱。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，所述第一电极设置在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上，且在所述第一电极和所述石墨烯层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上，且在所述第二电极和所述石墨烯层之间没有氧化层；
所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由Al2O3形成。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，所述石墨烯层由单层碳原子排列形成。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，所述衬底由硅形成，所述绝缘层和所述隔离层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于0.5微米且小于或等于1微米，所述隔离层的厚度为5纳米。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的制备方法，其特征在于，包括：
在所述衬底上形成所述绝缘层，在所述绝缘层上形成所述硅基纳米线，在所述硅基纳米线的两端分别制作绝缘体硅，并在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内制作所述第一硅基耦合器，在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内制作所述第二硅基耦合器；
在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上形成所述隔离层；
将预先通过化学气相沉积法形成的所述石墨烯层机械转移到所述隔离层上。
7.根据权利要求6所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上形成氧化层，在所述氧化层上通过电子束刻蚀技术形成所述第一电极；
在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上通过电子束刻蚀技术形成所述第二电极。
8.一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统，其特征在于，包括泵浦源、信号光源、光调制器和如权利要求1-5任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器；
所述泵浦源向所述光调制器输入泵浦光，所述信号光源向所述光调制器输入信号光，由所述光调制器输出偏正方向一致的泵浦光和信号光；
由所述光调制器输出的泵浦光和信号光通过所述拉曼放大器的第一硅基耦合器传入所述拉曼放大器，并从所述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出。
9.根据权利要求8所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统，其特征在于，还包括光电探测器；
所述光电探测器接收由所述述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出的泵浦光和信号光，以检测传入所述拉曼放大器的信号光是否经过拉曼放大。
10.一种CMOS光电子器件，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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