CN110687695A - 一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器 - Google Patents

一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器 Download PDF

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王希斌
廉天航
杨凯迪
张大明
孙士杰
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Abstract

一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，属于电光调制器技术领域。本发明通过将石墨烯放置于梯形波导芯层的表面、掩埋于聚合物光波导的内部，不仅可以提高石墨烯与光场的相互作用，而且还实现了对偏振方向不敏感的目的。本发明将石墨烯材料用于有机聚合物调制器可以制备出低成本、小尺寸、低能耗的新型偏振不敏感光调制器，在光纤通信系统和片上光互联技术应用中具有非常重大的意义。这种调制器结构，不仅为有机聚合物光波导集成芯片的研发提供一个新思路和新方法，同时也将为有机聚合物平面光波导集成芯片的快速发展打下良好的基础，市场前景广阔。

Description

一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调 制器
技术领域
本发明属于电光调制器技术领域，具体涉及一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器。
背景技术
光调制器是光电子集成系统中进行高速、长距离光信号调制的重要光电子器件，在信息编码、信号的调制与解调、光波分复用等方面有着众多应用。其主要功能是将载有信息的电信号加载到光载波上，从而引起波导中传输的光载波的强度或相位发生改变。伴随着信息技术的快速发展以及高速、大数据的业务需求，使得光调制有着非常广泛的应用空间，也会是未来光电子集成系统中核心组成部分之一。目前，一般的光调制器大多数是偏振相关的，由于其内部含有起偏元件，在工作状态下只能对一个光偏振态(TE或TM模式)有着良好的调制效果，并不能对偏振态起到实时的调控，而在与光调制器耦合的光纤中，其光载波的光偏振态是时刻变化的，所以在将光信号输入到此类光调制器中必然会导致输出信号幅度的变化，从而引起偏振依赖损耗，影响器件的调制性能，这也限制了其在光通信系统中的应用。
石墨烯作为石墨的一种二维晶格平面材料，为碳原子排列而成的六角晶格结构。自从2004年石墨烯在实验室中被成功的制备出来，证明了这种新型的二维材料能够在室温下稳定存在。由于石墨烯具有超宽光谱范围、可调谐光吸收、超高调制速率和高电子电导率等优异的光学性能，引起了科研人员的极大兴趣。尤其是它在室温下的载流子迁移速率超过200000cm2/(V·s)，远远高于其它常见的二维材料，这使得基于石墨烯的光电子器件能够在超高速率下工作，理论上的调制速率高达500GHz。石墨烯的化学势可以通过外加栅极电压进行调控，电导率和介电常数也会随之发生改变，从而改变石墨烯的折射率以及光吸收率。同时，由于石墨烯是零带隙的二维材料，使得它的工作范围覆盖了从可见光到近红外光波段范围。此外，石墨烯与现有的CMOS工艺技术兼容，加工工艺简单、成本低。以上这些优异的光学性能使得基于石墨烯的高速光电子器件在未来有着良好的发展前景和广泛的应用领域。
石墨烯虽然有着约2.3％的光吸收率，但是单层石墨烯所具的单原子厚度使得总吸收系数有限，所以通常采用增加石墨烯的层数或者将石墨烯层掩埋于波导光场分布较强的位置。目前基于石墨烯材料的光调制器已经有了很多的研究和报道，其中多数器件是基于传统的SOI光波导结构，将多层石墨烯放置于波导的表面或者掩埋与波导中，并让金属电极与石墨烯层接触，从而将外加电压作用于石墨烯层上，以此改变石墨烯材料的化学势，进而实现对波导中光波折射率或光收率的调节，从而达到对光波的相位或振幅进行调制的目的。这种将石墨烯层掩埋于硅波导内部的调制器,虽然在理论上已有报道，但是其制作工艺复杂且难度较高，加工成本高昂。此外，多数报道的基于石墨烯材料的电光调制器都是偏振相关的，严重的影响了器件的工作性能，这也限制了其在光通信系统中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于梯形石墨烯的有机聚合物偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，即将石墨烯层放置于梯形波导芯层的表面、掩埋于聚合物波导的内部，以解决目前石墨烯电光调制器的制作成本较高、制作工艺复杂、以及对入射光波的偏振方向敏感的技术难题。
本发明从结构和材料上进行了相关的优化设计，提出了一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器。通过将石墨烯放置于梯形波导芯层的表面、掩埋于聚合物光波导的内部，不仅可以提高石墨烯与光场的相互作用，而且还实现了对偏振方向不敏感的目的。本发明不仅结合了石墨烯材料优异的物理、化学、光学和机械特性，也利用了有机聚合物材料加工工艺简单、灵活等优势，将石墨烯放置于梯形波导芯层的表面、掩埋在聚合物波导的内部。因此，将石墨烯材料用于有机聚合物调制器可以制备出低成本、小尺寸、低能耗的新型偏振不敏感光调制器，在光纤通信系统和片上光互联技术应用中具有非常重大的意义。这种调制器结构，不仅为有机聚合物光波导集成芯片的研发提供一个新思路和新方法，同时也将为有机聚合物平面光波导集成芯片的快速发展打下良好的基础，市场前景广阔。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案：
一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，由衬底层1、形成于衬底层上的石墨烯梯形光波导结构和电极结构组成；电极结构由第一电极7、第二电极4组成；石墨烯梯形光波导结构由下至上依次由有机聚合物下包层2、横截面为梯形结构的有机聚合物光波导芯层9、有机聚合物上包层5组成；有机聚合物光波导芯层9的底边宽度(x轴方向)小于有机聚合物上包层5的宽度，有机聚合物上包层5的宽度小于有机聚合物下包层2的宽度，在有机聚合物下包层2上表面左右两侧露出的台阶上分别沉积第一电极7和第二电极4；在有机聚合物下包层2、有机聚合物芯层9和有机聚合物上包层5之间制备有具有一定厚度的双层石墨烯结构，双层石墨烯结构从下至上依次由第一石墨烯层3、电介质绝缘层6和第二石墨烯层8组成；第一石墨烯层3沿有机聚合物下包层2上表面向左延伸(x轴负方向)一部分，该延伸部分伸入到第一电极7和聚合物下包层2之间，延伸部分的宽度使第一电极7和有机聚合物下包层2间仍有部分区域的接触；第二石墨烯层8沿有机聚合物上包层5下表面向右(x轴方向)延伸一部分，该延伸部分伸入到第二电极4和聚合物下包层2之间，延伸部分的宽度使第二电极4和有机聚合物下包层2间仍有部分区域的接触；电介质绝缘层6的宽度小于有机聚合物上包层5的宽度；
有机聚合物下包层2和有机聚合物上包层5的材料相同。
所述衬底层材料为二氧化硅、氮化硅、硅中的任意一种，其宽度(x轴方向)为1mm～3mm，厚度(y轴方向)为300μm～800μm；
有机聚合物下包层2和有机聚合物上包层5的材料为EpoCore、EpoClad、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)中的一种；有机聚合物芯层9的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)中的一种。
进一步的，所述有机聚合物下包层2的宽度(x轴方向)为1mm～3mm，厚度(y轴方向)为6μm～10μm。
进一步的，所述有机聚合物上包层5的宽度(x轴方向)为100μm～800μm，厚度(y轴方向)为6μm～10μm。
进一步的，所述有机聚合物芯层9的顶边宽度(x轴方向)为3μm～4μm，底边宽度为5.2μm～9μm，厚度为3μm～4μm，底角角度为60°～70°。
进一步的，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层为单层石墨烯，其厚度相同，为0.35nm～0.7nm，双层石墨烯铺设于梯形波导的表面，即包括梯形波导顶边和两腰的区域，以及覆盖于下包层的表面并在延伸部分上蒸镀电极，其宽度为400μm～1.8mm；
进一步的，所述电介质绝缘层6的材料为三氧化二铝、六方氮化硼、二氧化硅中的一种，所述电介质绝缘层6的厚度为5nm～10nm，电介质绝缘层6掩埋于双层石墨烯之间，至少应铺设于梯形波导的表面，即包括梯形波导顶边和两腰的区域，可以不包括石墨烯的延伸部分，其宽度为210μm～1.61mm；
进一步的，所述第一电极与第二电极的材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种组成的合金，所述第一电极、第二电极与有机聚合物芯层9中心位置的距离相等，为100μm～800μm；所述第一电极和第二电极其宽度相同为500μm～1000μm，厚度相同为100nm～300nm。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，采用有机聚合物材料进行波导结构的设计，设置梯形结构的波导使得表面铺设的石墨烯层成一定角度倾斜放置，通过对波导尺寸的设计优化，在外加偏置电压作用下，使得TE和TM模式的光吸收系数趋于一致，从而达到同时对两种模式进行调制的目的，解决了目前石墨烯光调制器对入射光波偏振方向敏感的技术难题。
本发明的基于聚合物材料的梯形光波导结构在制备工艺方面更容易实现，并且制备工艺上可与传统的CMOS工艺相兼容,易于集成。利用了有机聚合物材料种类多样，易于制备加工等优势。
附图说明
图1为本发明所述的基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器的横截面示意图。
图2为本发明的调制器光场有效折射率实部随石墨烯化学势的变化关系曲线。
图3为本发明的调制器光场有效折射率虚部随石墨烯化学势的变化关系曲线。
图4为本发明的调制器光场分布模拟图。
图5为本发明的调制器单位距离传输损耗随石墨烯化学势的变化关系曲线。
图6为本发明的调制器化学势随外加偏置电压的变化关系曲线。
图7为本发明的调制器消光比随器件有源区长度的变化关系曲线。
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。
实施例1：
衬底层1硅片的清洁处理：将解离的符合设计尺寸大小的硅片放在丙酮溶液中超声清洗10分钟，再用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片表面，之后用去离子水将表面冲洗干净，并用氮气吹干表面残留的去离子水，最后在110℃条件下烘烤2小时去除水汽。
应用旋涂工艺制备有机聚合物下包层2：应用旋涂工艺将聚合物材料EpoClad旋涂在清洗过的硅片衬底层1上，旋涂速度为2500转/分钟，旋涂后放置在120℃条件下烘烤2.5小时，制备厚度为10μm的有机聚合物下包层2。
应用激光微纳加工方法制备有机聚合物芯层9：应用旋涂工艺将具有负热光系数的有机聚合物材料SU-8 2002旋涂在有机聚合物下包层2上方，旋涂速度为4000转/分钟，薄膜厚度为3μm；然后放置在65℃条件下15分钟、90℃条件下20分钟，进行前烘；接下来直接采用飞秒加工工艺，直写梯形波导结构：光源系统包括掺钦蓝宝石飞秒激光器，飞秒脉宽约120fs，重复频率为80MHz，波长为800nm的飞秒激光，稳定输出功率约为1.4W；采用高数值孔径为1.4的浸油物镜，三维精密移动系统，进行二维梯型波导芯层结构加工；飞秒激光器发射的激光脉冲先经过两个固定光阑去掉杂散光，并保证光束的传播方向；然后经过反射镜改变光束的传播方向，之后通过一对格兰泰勒棱镜，来调整两个格兰泰勒棱镜的晶轴夹角，达到实时精确调节透射激光功率的大小，再通过一波片以调节用以加工激光的偏振；最后由另一个反射镜改变传播方向后，由100倍物镜聚焦在样品中上，样品固定在一个计算机控制的三维压电平移台上；加工进行之前，将预先用绘图软件设计的梯形波导结构的点数据导入飞秒激光微加工系统，在SU-8 2002薄膜上直写梯形波导结构；然后将样品放置在65℃条件下15分钟、95℃条件下20分钟，进行中烘；等温度自然降至室温后，在专用显影液中湿法刻蚀40秒，未曝光(未被激光直写)的有机聚合物(SU-8 2002)将被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后放置在130℃条件下30分钟，进行后烘，这样便在有机聚合物下包层2上方制得了具有梯形结构的有机聚合物芯层9。
有机聚合物芯层9上转移第一石墨烯层3：将购买的带有PMMA支撑层的单层石墨烯(尺寸：1cm×1cm，购买于合肥微晶材料科技有限公司)放置于装有去离子水的烧杯中，浸泡后将其转移到制备完成的有机聚合物芯层9的表面，第一石墨烯层3与有机聚合物芯层9接触，PMMA薄膜位于第一石墨烯层3的上方；转移完成后，将其自然晾干后放在80℃条件下处理40分钟；处理完成后，需要去除多余部分的石墨烯层，对第一石墨烯层3上方的PMMA薄膜使用电子束光刻来定义石墨烯的图案，经过显影后第一石墨烯层3上方的PMMA薄膜得以保存，而其他部分的PMMA薄膜被处理去掉后，使得多余部分的石墨烯层被暴露出来，之后采用氧等离子体干法刻蚀处理掉暴露出来的石墨烯层，使得有PMMA薄膜覆盖的第一石墨烯层3被保存下来；最后，将其放置于盛有丙酮溶液的培养皿中去除PMMA薄膜，然后用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后放在90℃条件下处理50分钟。
第一石墨烯层3的延伸部分接触面蒸镀第一电极7：在第一石墨烯层3转移成功后，需要在其延伸部分接触面上蒸镀第一电极7；首先旋涂PMMA薄膜，用电子束光刻定义出金属电极的区域，在经过显影处理后使得石墨烯层与金属的接触面暴露出来，再采取电子束蒸发镀膜设备蒸镀金属Au作为第一电极7，最后采用标准的lift-off工艺来定义金属电极。
转移第二石墨烯层8：在转移第二石墨烯层8之前，需要蒸镀沉积电介质绝缘层6；转移第二石墨烯层8的工艺流程与转移第一石墨烯层3的工艺流程类似。
第二石墨烯层8的一端接触面蒸镀第二电极4：其工艺流程与蒸镀第一电极7一致。
应用旋涂工艺制备有机聚合物上包层5：应用旋涂工艺将有机聚合物上包层5材料EpoClad旋涂在有机聚合物芯层2上形成薄膜，旋涂速度为3500转/分钟，然后放置在120℃下烘烤2.5小时，制备厚度为10μm的有机聚合物上包层5。有机聚合物上包层5完全覆盖整个的梯形光波导结构。
实施例2：
如附图1所示，一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，由衬底层1、形成于衬底层上的石墨烯梯形光波导结构和电极结构组成；电极结构由第一电极7、第二电极4组成；石墨烯梯形光波导结构由下至上依次由有机聚合物下包层2、横截面为梯形结构的有机聚合物光波导芯层9、有机聚合物上包层5组成；有机聚合物光波导芯层9的底边宽度(x轴方向)小于有机聚合物上包层5的宽度，有机聚合物上包层5的宽度小于有机聚合物下包层2的宽度，在有机聚合物下包层2上表面左右两侧露出的台阶上分别沉积第一电极7和第二电极4；在有机聚合物下包层2、有机聚合物芯层9和有机聚合物上包层5之间制备有具有一定厚度的双层石墨烯结构，双层石墨烯结构从下至上依次由第一石墨烯层3、电介质绝缘层6和第二石墨烯层8组成；第一石墨烯层3沿有机聚合物下包层2上表面向左延伸(x轴负方向)一部分，该延伸部分伸入到第一电极7和聚合物下包层2之间，延伸部分的宽度使第一电极7和有机聚合物下包层2间仍有部分区域的接触；第二石墨烯层8沿有机聚合物上包层5下表面向右(x轴方向)延伸一部分，该延伸部分伸入到第二电极4和聚合物下包层2之间，延伸部分的宽度使即第二电极4和有机聚合物下包层2间仍有部分区域的接触；电介质绝缘层6的宽度小于有机聚合物上包层5的宽度；
本实施例中，采用硅片做为衬底层1，其厚度(y轴方向)为500μm，宽度(x轴方向)为1.9mm。
本实施例中，有机聚合物下包层2和有机聚合物上包层5采用低折率有机聚合物材料，选择为EpoClad。
本实施例中，有机聚合物下包层2的厚度(y轴方向)为10μm，宽度(x轴方向)与衬底层1宽度相同，为1.9mm。
本实施例中，有机聚合物上包层5的厚度(y轴方向)为10μm，宽度(x轴方向)为500μm。
本实施例中，有机聚合物芯层9材料选择为SU-8 2002。
本实施例中，有机聚合物芯层9顶边宽度(x轴方向)为3μm，底边宽度(x轴方向)为5.8μm，厚度(即梯形的高)为3μm，底角角度为65°。
本实施例中，有机聚合物芯层9位于有机聚合物下包层2上表面的(x方向)的中间位置上。
本实施例中，第一石墨烯层3、电介质绝缘层6、第二石墨烯层8依次放置在有机聚合物芯层9和有机聚合物下包层2上表面。
本实施例中，电介质绝缘层6上面和下面依次为第一石墨烯层3与第二石墨烯层8。
本实施例中，电介质绝缘层6采用的材料为hBN(六方氮化硼)，其厚度(y轴方向)为10nm，宽度(沿x轴方向延伸)为510μm。
本实施例中，第一石墨烯层3与第二石墨烯层8的厚度为0.7nm，宽度为700μm(需要分别向左、向右伸入到电极和聚合物下包层之间)。
本实施例中，第一石墨烯层3和第二石墨烯层8均为单层石墨烯。
本实施例中，将波导芯层设计为梯形结构，使得将石墨烯铺设于表面时，能够实现同时对TE和TM模式进行调制。
本实施例中，金属电极选用的材料为金，其宽度为700μm，厚度为200nm，第一电极与第二电极之间的距离为500μm。
如附图2所示，为本实施例使用COMSOL软件模拟的调制器的TE和TM模式有效折射率(光场有效折射率是一个定量描述波导中单位长度相位延迟的量，相对于真空中单位长度相位延迟而言，是指模式光在波导中传播的时候所看到的折射率，是相对于波长和波导的几何结构变化的)实部随化学势的变化关系曲线，对于TE模式，当石墨烯化学势为0ev～0.4ev时，图像曲线上升趋势并在0.4eV取得最大值1.563867，当石墨烯化学势为0.4ev～1ev时，图像曲线迅速下降呈线性变化趋势并在1ev取得最小值1.563126，有效折射率实部的变化量为0.000741。TM模式的有效折射率实部曲线有着与TE模式的有效折射率实部相似的变化曲线，在石墨烯化学势为0.4ev时取得最大值1.563842，当石墨烯化学势为0.4ev～1ev时，有效折射率实部的变化量为0.000743。
如图3所示，为本实施例使用COMSOL软件模拟的调制器光场有效折射率虚部随化学势的变化关系曲线，由图可知TE和TM模式的有效折射率虚部有着相似的变化曲线，即当施加偏置电压于石墨烯上时，对TM和TE模式有着几乎相同的调制结果。当化学势为0.4ev时，TE和TM模式的有效折射率虚部到了一个较低值，然后迅速增大，在化学势为0.51ev时，同时取得了最大值Im(Neff)TE＝0.00067334，Im(Neff)TM＝0.000681917，此时波导对光的吸收到了最大值，使得通过的光几乎被吸收掉而无法通过，此时的工作状态可设定为调制器的“OFF”状态；当化学势大于0.51ev时，有效折射率虚部迅速下降至一个很低的水平，在化学势为0.7ev，TE和TM模式的有效折射率虚部很小，波导对光的吸收能力减弱，此时波导中传输的光可以看作无损传输，此时的工作状如图4所示，为本实施例使用COMSOL软件模拟的光场分布模拟图，图a为调制器工作在0.51ev时，光波导中TE和TM模式的模场分布；图b为调制器工作在0.7ev时，光波导中TE和TM模式的模场分布，从图像能够看出光场被很好比明显。
如图5所示，为本实施例使用COMSOL软件模拟的模式功率损耗(MPA)随石墨烯化学势(化学势是石墨烯本身具有的一种物理性质)的变化关系曲线，可以看出当化学势为0.51ev时MPA达到了最大值，即波导对光的吸收效率达到了最大值，对应调制器“OFF”的工作状态；当化学势大于0.51ev时MPA迅速降低，平稳的维持在一个很低的水平，此时光波导中传输的光几乎可以无损通过，对应调制器“On”的工作状态。
如图6所示，本实施例使用COMSOL软件模拟的调制器石墨烯化学势随电极外加偏置电压(在第一电极和第二电极间施加偏置电压)的变化关系曲线，由图可知调制器“OFF”工作状态下的偏置电压为2.22V；调制器“On”工作状态下的偏置电压为3.48V，两种传输状态之间切换的电压差为△U＝1.26V。
如图7所示，本实施例的调制器消光比随石墨烯长度的变化关系曲线，消光比是指光调制器处于工作状态时，传输最大光功率值Pmax和传输最小光功率值Pmin的比值：
Figure BDA0002282067140000081
其中
Figure BDA0002282067140000082
I0为初始入射光强，αmin＝4πkmin/λ和αmin＝4πkmax/λ分别为吸收系数最小值和最大值，k为光场有效折射率的虚部，对于TE模式，kmax＝0.00067334，kmin＝0.000017369，对于TM模式，kmax＝0.000681917，kmin＝0.000017715，λ为入射波长取为1550nm，L为石墨烯长度，基于以上参数和公式推导出消光比随器件有源区长度变化公式：EXT＝8.686(αmax-αmin)L，由图可知TE模式与TM模式的图像曲线几乎重合，器件实现30dB的消光比要求石墨烯长度为650μm。
实施例3：
有效折射率的实部和虚部分别与光的传播相位和衰减有关，通过合理地调节石墨烯的化学势，通过施加栅电压，可以实现电吸收和电折射调制。本发明为利用基于石墨烯的梯形波导结构实现偏振不敏感的吸收型光调制器。
本发明的器件结构所用参数是：衬底层1材料为硅片，有机聚合物芯层顶边宽度为3μm，底边宽度为5.8μm，厚度为3μm，底角角度为65°；有机聚合物下包层和有机聚合物上包层材料选用EpoClad，折射率为1.559，第二种有机聚合物芯层材料选用SU-8 2002，折射率为1.572；第一石墨烯层与第二石墨烯层都为单层石墨烯，其厚度为0.7nm；电介质绝缘层材料为hBN(六方氮化硼)，厚度为10nm，宽度为9.6μm；金属电极材料为金；
通过石墨烯化学势受外加偏置电压调控公式|μ|＝hvF(π|a0(Vg-VD)|)0.5可得到石墨烯化学势在0eV到1eV所对应的外加偏置电压范围，其中μ为石墨烯的化学势，h≈1.05×10-34为简化的普朗克常量，费米速度vF＝2.5×106m/s，VD＝0.8V为石墨烯制造过程中掺杂引起的偏压，Vg表示金属电极之间的压降，|Vg-VD|可近似看做为外加偏执电压，其中a0＝ε0εr/de是由简单的平板电容模型所得到的，ε0为真空介电常数，εr和d分别为电介质绝缘层的相对介电常数和厚度，e为单位电荷量。
由该调制器电极结构的等效电路可知，Rtotal＝2Rs×(WG/L)+2Rc/L，其中Rs＝200Ω/口为石墨烯层电阻，Rc＝100Ω-μm为金属电极与石墨烯的接触电阻，WG为石墨烯的有效宽度，取为9.6μm，L为石墨烯长度，取为1mm；Ctotal＝ε0εrS/d，S＝L×W为双层石墨烯重叠部分的平板电容面积。由3-dB调制带宽公式f＝1/(2πRtotalCtotal)得到3-dB带宽为1.2GHz，调制器消耗能量公式Ebit＝Ctotal(△U)2/4，其中△U为化学势0.51eV到0.7eV对应的外加偏执电压范围，为1.26V，则求得Ebit＝0.13pJ/bit。

Claims (6)

1.一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，其特征在于：由衬底层(1)、形成于衬底层上的石墨烯梯形光波导结构和电极结构组成；电极结构由第一电极(7)、第二电极(4)组成；石墨烯梯形光波导结构由下至上依次由有机聚合物下包层(2)、横截面为梯形结构的有机聚合物光波导芯层(9)、有机聚合物上包层(5)组成；有机聚合物光波导芯层(9)的底边宽度小于有机聚合物上包层(5)的宽度，有机聚合物上包层(5)的宽度小于有机聚合物下包层(2)的宽度，在有机聚合物下包层(2)上表面左右两侧露出的台阶上分别沉积第一电极(7)和第二电极(4)；在有机聚合物下包层(2)、有机聚合物芯层(9)和有机聚合物上包层(5)之间制备有具有一定厚度的双层石墨烯结构，双层石墨烯结构从下至上依次由第一石墨烯层(3)、电介质绝缘层(6)和第二石墨烯层(8)组成；第一石墨烯层(3)沿有机聚合物下包层(2)上表面向左延伸一部分，该延伸部分伸入到第一电极(7)和聚合物下包层(2)之间，延伸部分的宽度使第一电极(7)和有机聚合物下包层(2)间仍有部分区域的接触；第二石墨烯层(8)沿有机聚合物上包层(5)下表面向右延伸一部分，该延伸部分伸入到第二电极(4)和聚合物下包层(2)之间，延伸部分的宽度使第二电极(4)和有机聚合物下包层(2)间仍有部分区域的接触；电介质绝缘层(6)的宽度小于有机聚合物上包层(5)的宽度。
2.如权利要求1所述的一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，其特征在于：有机聚合物下包层(2)和有机聚合物上包层(5)的材料相同，为EpoCore、EpoClad、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯中的一种；有机聚合物芯层(9)的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯、或聚酰亚胺中的一种。
3.如权利要求1所述的一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，其特征在于：衬底层(1)材料为二氧化硅、氮化硅、硅中的任意一种，其宽度为1mm～3mm，厚度为300μm～800μm；有机聚合物下包层(2)的宽度为1mm～3mm，厚度为6μm～10μm；有机聚合物上包层(5)的宽度为100μm～800μm，厚度为6μm～10μm；有机聚合物芯层(9)的顶边宽度为3μm～4μm，底边宽度为5.2μm～9μm，厚度为3μm～4μm，底角角度为60o～70o。
4.如权利要求1所述的一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，其特征在于：第一石墨烯层(3)和第二石墨烯层(8)为单层石墨烯，其厚度相同，为0.35nm～0.7nm，双层石墨烯铺设于梯形波导的表面，即包括梯形波导顶边和两腰的区域，以及覆盖于有机聚合物下包层(2)的表面并在延伸部分上蒸镀电极，其宽度为400μm～1.8mm。
5.如权利要求1所述的一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，其特征在于：电介质绝缘层(6)的材料为三氧化二铝、六方氮化硼或二氧化硅中的一种，电介质绝缘层(6)的厚度为5nm～10nm，电介质绝缘层(6)掩埋于双层石墨烯之间，至少应铺设于梯形波导的表面，即包括梯形波导顶边和两腰的区域，其宽度为210μm～1.61mm。
6.如权利要求1所述的一种基于梯形石墨烯的偏振不敏感的有机聚合物吸收型光调制器，其特征在于：第一电极(7)与第二电极(4)的材料为银、金、铝或铂中的一种或者多种组成的合金，所述第一电极(7)、第二电极(4)与有机聚合物芯层(9)中心位置的距离相等，为100μm～800μm；所述第一电极(7)和第二电极(4)其宽度相同为500μm～1000μm，厚度相同为100nm～300nm。
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