CN110989216B - 一种新型石墨烯光调制器结构设计 - Google Patents

一种新型石墨烯光调制器结构设计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型石墨烯光调制器结构设计。本发明属于集成光子与硅基光子学领域。新型石墨烯光调制器结构包括衬底层，人工超材料波导层，双层石墨烯层，超薄光波导层，低折射率盖层和电极。其中人工超材料波导层由高折射率材料和低折射率材料交替构成；双层石墨烯层由两层石墨烯和电介质填充层构成。本发明将人工超材料结构作为光波导结构的一部分，可以有效地调节光场的分布，增强石墨烯与光的相互作用，从而提高调制的深度和调制效率，同时通过控制倏逝波来减小器件间干扰提高器件的集成密度。该器件具有工作带宽大，调制速率高及结构紧凑等优点，对构建大带宽、高密度集成、高速的片上系统提供了一种有效的解决方案。

Description

一种新型石墨烯光调制器结构设计
技术领域
本发明涉及集成光学和硅基光子学领域，具体涉及一种新型石墨烯光调制器结构设计，更具体利用超材料结构对光场的调控作用，增强石墨烯和光场的相互作用以及对光场限制来实现高密度、大带宽、高速的硅基光调制器。
背景技术
硅基光电子技术因其具有大带宽、高密度集成、高传输速率、抗干扰，且与传统的CMOS工艺兼容等优势，成为了业界普遍认可的光互联技术中最有发展潜力的关键技术。光调制器作为光互联技术中的核心器件，具有重要的研究意义。近年来，由于石墨烯优越的光学性能和电学性能被广泛地应用于调制器中，以实现大带宽、超高速的强度调制和相位调制。传统的石墨烯硅基波导结构为脊型波导或掩埋型光波导结构，将石墨烯层覆盖于光波导结构的上，通过电场来调节石墨烯的费米能级，使石墨烯的带内电导率和带间电导率发生变化，从而实现相位或光强调制。但是，单层石墨烯的厚度有限使得，使得石墨烯吸收系数和折射率变化对波导的影响有限。为了提高石墨烯光调制器的调制深度和器件尺寸，设计了横槽波导结构，将石墨烯置于波导中间光强最大的地方，从而提高光场与石墨烯的相互作用，减小器件的尺寸实现超高密度的集成。
为了进一步提高石墨烯与光场的相互作用，本发明提出了一种新型的石墨烯光调制器结构设计。该光调制器的波导结构中引入超材料结构，并将其作为光波导结构中的下层波导，通过对超材料结构层的结构参数的调控，优化光场分布，从而有效地提高石墨烯与光场的相互作用，同时，通过超材料结构的设计，实现更好的限制光场，减少倏逝波区域范围，减小信号的串扰，从而实现更高密度的集成。本发明提出的超材料结构辅助的新型石墨烯光调制器结构设计具有工作带宽大，调制速率高、结构紧凑及高效可控等优点，对构建大带宽、高密度、高速片上系统提供了一种有效的解决方案。
发明内容
光调制器作为硅基的高密度、大带宽、高速片上集成系统的核心器件具有重要的研究意义。本发明提供了一种新型石墨烯光调制器结构设计，该器件利用人工超材料来辅助设计光波导结构，实现光场的可控的优势，结合石墨烯优异的光学特性和电学特性，实现高速可调、超大带宽、超密集成和低功耗的石墨烯电光调制器。
本发明一种新型石墨烯光调制器波导结构设计包括：衬底层(1)，人工超材料波导层(2)，双层石墨烯层(3)，超薄光波导层(4)，低折射率盖层(5)，第一电极(6)和第二电极(7)。
上述超材料波导层(2)结构掩埋在衬底层(1)中；其中人工超材料波导层(2)由一组高折射率波导(21)和低折射率波导(22)交替构成。
上述层双层石墨烯层(3)位于人工超材料波导层(2)上方。
上述超薄光波导层(4)位于双层石墨烯层(3)上方。
上述低折射率盖层(5)位于超薄光波导层(4)的上方。
上述双层石墨烯层(3)依次由第一电介质填充层(31)，第一石墨烯层(32)，第二电介质填充层(33)，第二石墨烯层(34)和第三电介质填充层(35)构成。
上述第一电极(6)沉积在第二石墨烯层(34)延伸部分的上端面上；
上述第二电极(7)沉积在第一石墨烯层(32)延伸部分的上端面上。
上述高折射率波导(21)包括：均匀高折射率波导和非均匀高折射率波导；其中，均匀高折射率波导的高折射率波导宽度一致，非均匀高折射率波导的高折射率波导宽度不一致。
上述低折射率波导(22)包括：均匀低折射率波导和非均匀低折射率波导；其中均匀低折射率波导的低折射率波导宽度一致，非均匀低折射率波导的低折射率波导宽度不一致。
上述高折射率波导(21)和低折射率波导(22)的厚度与人工超材料波导层(2)的厚度一致。
上述所述超薄光波导层(4)通过双层石墨烯层(3)与人工超材料波导层(2)隔离。
优选地，对于工作波长为1550nm，高折射率波导(21)材料为硅，低折射率波导(22)材料为二氧化硅，上述人工超材料波导层(2)的厚度介于50～180nm。
优选地，对于工作波长1550nm，超薄光波导层(4)材料为硅，超薄光波导层(4)的厚度介于50～180nm。
优选地，第一电介质填充层(31)，第二电介质填充层(33)和第三电介质填充层(35)的厚度介于5～60nm，第一电介质填充层(31)，第二电介质填充层(33)和第三电介质填充层(35)的材料为Al2O3或优选地hBN材料，但不限于上述材料。
优选地，低折射率盖层(5)波导材料为二氧化硅或优选地空气，但是不限于上述材料。
优选地，上述第一电极(6)和第二电极(7)的材料为金、铂或钯，但是不限于上述材料
本发明的优点：
(1)器件尺寸减小：利用人工超材料结构和超薄光波导结构对光场的调控作用，有效地提升石墨烯与光场的相互作用，从而减小器件的尺寸，提高器件的集成度。
(2)高密度集成：利用人工超材料结构，控制光场倏逝波的分布，减小器件之间的串扰，从而实现更高密度的集成。
(3)技术成熟：器件的制作工艺与传统的CMOS工艺兼容，石墨烯层位于器件上层易于石墨烯转移，因此，有利于批量化制作和系统集成。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中有：衬底层(1)、人工超材料波导层(2)、双层石墨烯层(3)、超薄光波导层(4)、低折射率盖层(5)、第一电极(6)、第二电极(7)、第一电介质填充层(31)、第一石墨烯层(32)、第二电介质填充层(33)、第二石墨烯层(34)、高折射率波导(21)和低折射率波导(22)
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
从图1可以看出，本发明一种新型石墨烯光调制器结构设计是一种基于石墨烯电调控特性实现的电光调制器。器件包括衬底层(1)，人工超材料波导层(2)，双层石墨烯层(3)，超薄光波导层(4)，低折射率盖层(5)，第一电极(6)和第二电极(7)。其中，人工超材料波导层(2)掩埋于衬底层(1)中；调制器的光波导部分依次由人工超材料波导层(2)，双层石墨烯层(3)和超薄光波导层(4)构成；在超薄光波导层上个覆盖一层第折射率覆盖层(5)；双层石墨烯层(3)依次由第一电介质填充层(31)，第一石墨烯层(32)，第二电介质填充层(33)，第二石墨烯层(34)和第三电介质填充层(35)构成，通过对双层石墨烯电注入，改变其介电常数的来实现器件的电光调制，包括强度调制和相位调制；第一电极(6)和第二电极(7)分别沉积在第二石墨烯层(34)和第一石墨烯层上(32)的延伸部分上端面上，用于对石墨烯的电注入。在一些实施方式中，工作波长为1550nm时，当人工超材料波导层(2)中的高折射率波导(21)材料为硅和低折射率波导材料为二氧化硅时其厚度介于50～180n，当超薄光波导层(4)材料为硅时其厚度介于50～180nm；第一电介质填充层(31)，第二电介质填充层(33)和第三电介质填充层(35)的厚度介于5～60nm，第一电介质填充层(31)，第二电介质填充层(33)和第三电介质填充层(35)的材料为Al2O3或优选地hBN材料；低折射率盖层(5)波导材料为二氧化硅或空气，但是不限于上述材料和厚度。
综上所述，本发明一种新型石墨烯光调制器结构设计，利用人工超材料波导结构对光场的调控作用，可以聚焦光场的同时减少倏逝波的扩展区域，增加了石墨烯和光场的相互作用强度，减小了器件的尺寸和电压，同时减小了器件间的相互干扰，进一步提高器件的集成密度。因而本发明提出的新型石墨烯光调制器结构设计具有工作带宽大，调制速率高、结构紧凑、低功耗和与CMOS兼容等优点，在超高密度集成的片上系统中具有重要的应用前景。
以上说明书仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：该结构包括衬底层(1)，人工超材料波导层(2)，双层石墨烯层(3)，超薄光波导层(4)，低折射率盖层(5)，第一电极(6)和第二电极(7)；所述结构的人工超材料波导层(2)掩埋于衬底层(1)中，双层石墨烯层(3)位于人工超材料波导层(2)上方，超薄光波导层(4)位于双层石墨烯层(3)上方，低折射率盖层(5)覆盖于超薄光波导层(4)的上方；所述双层石墨烯层(3)依次由第一电介质填充层(31)，第一石墨烯层(32)，第二电介质填充层(33)，第二石墨烯层(34)和第三电介质填充层(35)构成；所述第一电极(6)沉积在第二石墨烯层(34)延伸部分的上端面上；所述第二电极(7)沉积在第一石墨烯层上(32)延伸部分的上端面上；所述人工超材料波导层(2)由一组高折射率波导(21)和低折射率波导(22)交替构成。
2.据权利要求1所述一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：所述高折射率波导(21)包括：均匀高折射率波导和非均匀高折射率波导；所述低折射率波导(22)包括：均匀低折射率波导和非均匀低折射率波导；所述均匀高折射率波导的高折射率波导宽度一致；所述非均匀高折射率波导的高折射率波导宽度不一致；所述均匀低折射率波导的低折射率波导宽度一致；所述非均匀低折射率波导的低折射率波导宽度不一致。
3.据权利要求1所述一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：所述高折射率波导(21)和低折射率波导(22)的厚度与人工超材料波导层(2)的厚度一致；所述人工超材料波导层(2)的厚度为120nm；所述高折射率波导(21)的材料是硅、锗、氮化硅；所述低折射率波导(22)的材料是二氧化硅或者空气。
4.据权利要求1所述一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：所述超薄光波导层(4)通过双层石墨烯层(3)与人工超材料波导层(2)隔离；所述超薄光波导层(6)的材料是硅、锗、氮化硅；所述超薄光波导层的厚度为120nm。
5.据权利要求1所述一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：所述第一石墨烯层(32)与第二石墨烯层(34)的间距即第二电介质填充层(33)的厚度为10nm；所述第一电介质填充层(31)，第二电介质填充层(33)和第三电介质填充层(35)均有绝艳材料构成；绝缘材料为Al2O3或hBN材料。
6.据权利要求1所述一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：所述低折射率盖层(5)覆盖于超薄光波导层(4)；低折射率盖层(5)波导材料是二氧化硅或者空气。
7.据权利要求1所述一种新型石墨烯光调制器结构，其特征在于：所述第一电极(6)和第二电极(7)的材料为金、铂或钯。
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