CN112558329A - 一种基于石墨烯的偏振无光电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的偏振无关电光调制器，包括基底层、表面等离子波导层、双层石墨烯结构和电极结构；表面等离子波导层从下往上依次设置有介质加载层、条形金属薄膜层及介质波导层，表面等离子波导层的上表面和两侧面设置有部分或全部重叠的第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间设置有电介质隔离层，电极结构设置于石墨烯结构之上。本发明利用石墨烯对TE和TM模式相近的光吸收调谐特性，设计出了偏振无关的电光调制器，具备偏振不敏感、消光比高、结构简单、易于制备、CMOS工艺兼容等优点，这些优点能推动本发明电光调制器的实际应用。

Description

一种基于石墨烯的偏振无光电光调制器
技术领域
本发明涉及电光调制领域，特别是涉及一种偏振无光电光调制器。
背景技术
电光调制器是长距离、高速光通信系统中的关键器件之一，在信号调制与解调、数据编码、光分插复用等领域有着至关重要的应用。其功能是将携带信息的数字电信号加载到光载波上，从而引起光载波的强度或相位发生改变。近年来随着新一代信息技术以及大数据计算的兴起，人们对通信的速率、容量和带宽需求呈爆发式增长态势，使得电光调制器有着极为广阔的应用空间。传统基于硅掺杂的电光调制器性能已经接近极限状态，需要采用新结构或者新材料来增强对光传输的调控。
由于拥有优异的电学、光学和热学性能，石墨烯材料为高速电光调制器的发展提供了新的机遇。石墨烯是一种由碳元素构成的蜂窝形二维结构材料，在室温下载流子迁移率约为200000cm2V-1s-1，是硅材料载流子迁移率的100倍以上，这使得石墨烯光电子器件的理论调制速率高达几百GHz。同时，石墨烯拥有独特的零带隙线性狄拉克锥的能带结构，这意味着可以通过外加栅极电压对石墨烯进行电掺杂，从而调控它的化学势、电导率和吸收率。此外，石墨烯与现有CMOS工艺兼容，加工工艺简单、易于集成。这些特点使得石墨烯在未来光电子器件方面有着良好的发展前景。
但是，目前石墨烯电光调制器大都对光的偏振态比较敏感，只能对特定偏振态的光产生有效调控，这限制了它们在光通信系统中的应用。而现有技术中的基于石墨烯的偏振无光电光调制器的制作工艺复杂且要求较高，不易实现。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于石墨烯的偏振无光电光调制器，以解决传统石墨烯调制器结构复杂和对入射光偏振态敏感的问题。
技术方案：本发明的一种基于石墨烯的偏振无关电光调制器，包括基底层、表面等离子波导结构、石墨烯结构和电极结构；表面等离子波导结构设置于基底层之上，其包括介质加载层、设置于介质加载层之上的介质波导层、嵌于介质加载层和介质波导层之间的条形金属薄膜层，介质波导层的宽度小于介质加载层；表面等离子波导结构的上表面和左右两侧面覆盖有石墨烯结构，其包括从下而上依次设置的第一石墨烯层、电介质隔离层和第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层部分或全部重叠；电极结构设置于石墨烯结构之上，其包括第一电极和第二电极，第一石墨烯层沿着介质加载层上表面向一侧延伸并与第一电极连接，第二石墨烯层沿着介质加载层上表面向另一侧延伸并与第二电极连接。石墨烯结构在介质波导层调制区域全部重叠，即位于介质波导层上方区域和介质波导层左右两侧面的区域的石墨烯结构全部重叠。石墨烯外表面也可以涂覆其他保护介质材料。
其中，所述介质加载层和介质波导层的材料相同，为硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的一种；所述基底层的材料为低折射率的材料，包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁。
进一步的，所述介质加载层的厚度控制于30纳米至120纳米范围内；所述介质波导层的厚度为230纳米至310纳米，宽度控制于280纳米至400纳米范围内。
进一步的，所述条形金属薄膜层、第一电极和第二电极的材质为金、银、铜、铂或钛中的任意一种或任意两种以上的合金；条形金属薄膜层的宽度为180纳米-240纳米，厚度控制于5纳米至20纳米范围内。
进一步的，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的层数在1层到10层之间。
进一步的，所述电介质隔离层的厚度控制于5纳米至50纳米范围内；所述电介质隔离层由绝缘材料制成，为三氧化二铝、硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物中的一种。
其中，介质波导层位于条形金属薄膜层上方的中心位置；介质波导层的横截面形状可以是梯形，也可以是矩形。
上述基于石墨烯的偏振无关电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在清洗后的基底层表面沉积介质加载层；
(2)在介质加载层表面沉积金属薄膜层，采用电子束光刻制备条形金属薄膜层；
(3)在金属薄膜层和介质加载层表面再次沉积介质加载层，并采用电子束光刻制备得到介质波导层，且使条形金属薄膜层位于介质波导层下方的中心位置；
(4)在介质加载层上转移第一石墨烯层，采用电子束光刻定义需要保留部分的石墨烯，干法刻蚀去除多余部分的第一石墨烯层；
(5)表面沉积得到电介质隔离层，转移第二石墨烯层，并去除多余的第二石墨烯层；使
(6)在第一石墨烯层和第二石墨烯层的延伸部分分别制备第一电极和第二电极。
本发明的电光调制器，由于石墨烯只与其表面平行的电磁波发生强烈作用，因此，在表面等离子波导结构上引入水平和垂直放置的石墨烯结构，分别实现对TE和TM模式吸收率的动态调谐。通过对石墨烯化学掺杂或者施加偏置电压来改变其化学势特性，动态地调谐石墨烯的介电常数，从而影响表面等离子波导等效折射率的变化，其中等效折射率的虚部对应光的吸收。当偏置电压为某一特定值时，TE和TM模式的光吸收都非常大，则光信号无法通过电光调制器；相反，当偏置电压为另一个特定值时，TE和TM模式的光吸收都非常小，则光信号能够通过电光调制器。因此，通过优化结构参数使得TE和TM模式的光吸收几乎一致，就能够实现对光信号的偏振无关调制。
有益效果：
(1)本发明利用石墨烯对TE和TM模式相近的光吸收调谐特性，设计出了偏振无关的电光调制器，具备偏振不敏感、消光比高、结构简单、易于制备、CMOS工艺兼容等优点，这些优点能推动本发明电光调制器的实际应用。
(2)本发明在基底层和介质波导层之间引入了介质加载层，提升了石墨烯与TM偏振光的作用域，增强了石墨烯的调制性能，同时利用石墨烯调制区对TM模式和TE模式的相近光吸收特性，实现了对光波偏振无关的调制。
(3)本发明的光调制器具有更简单的结构，并且制备工艺与传统(；MOS工艺相兼容，便于加工集成。
附图说明
图1是本发明电光调制器的横截面结构示意图；
图2是本发明电光调制器波导中TE、TM基模的等效折射率虚部随石墨烯化学势的变化示意图；
图3是本发明电光调制器波导中TE、TM基模的归一化透射率在“开”和“关”状态时随传播长度的变化示意图。
图中标号分别为：1、基底层；2、介质加载层；3、条形金属薄膜层；4、介质波导层；5、第一石墨烯层；6、第二石墨烯层；7、电介质隔离层；8、第一电极；9、第二电极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
实施例1：
如图1所示，一种基于石墨烯的偏振无关电光调制器，包括基底层1、表面等离子波导结构、双层石墨烯结构和电极结构，表面等离子波导结构设置于基底层1之上，表面等离子波导结构的上表面和左右两侧面覆盖有石墨烯结构，电极结构设置于石墨烯结构之上。
表面等离子波导结构包括介质加载层2、条形金属薄膜层3和介质波导层4，条形金属薄膜层3和介质波导层4位于介质加载层2之上，条形金属薄膜层3嵌于介质波导层4之内，条形金属薄膜层3的下表面与介质加载层的上表面接触，条形金属薄膜层3位于介质波导层4下方的中心位置，且介质波导层4的宽度小于介质加载层2。本实施例中介质波导层4的横截面呈矩形。
表面等离子波导结构的上表面和左右两侧面设置有具有一定厚度的双层石墨烯结构，双层石墨烯结构从下而上依次由第一石墨烯层5、电介质隔离层7及第二石墨烯层6组成。电极结构由第一电极8、第二电极9组成，第一石墨烯层5沿着介质加载层2上表面向右延伸并连接于第一电极8，第二石墨烯层6沿着电介质隔离层7上表面向左延伸并连接于第二电极9；其中，第一电极8设置于第一石墨烯层5的上方，第一电极8的侧面与电介质隔离层7相连；第二电极9设置于第二石墨烯层6的上方，且石墨烯结构在介质波导层调制区域全部重叠。
其中，基底层1的材料为低折射率的材料，包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁。介质加载层2和介质波导层4的材料相同，为硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的一种；介质加载层2的厚度控制于30纳米至120纳米范围内；介质波导层4的厚度为230纳米-310纳米，宽度控制于280纳米至400纳米范围内。条形金属薄膜层3、第一电极8和第二电极9的材质为金、银、铜、铂或钛中的任意一种或任意两种以上的合金；条形金属薄膜层3的宽度为180纳米-240纳米，厚度控制于5纳米至20纳米范围内。第一石墨烯层5和第二石墨烯层6的层数在1层到10层之间；所述电介质隔离层7由绝缘材料制成，为三氧化二铝、硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物中的一种；电介质隔离层7的厚度控制于5纳米至50纳米范围内。
为验证本发明的偏振无关电光调制功能，现结合具体数据作进一步说明。
本实施例中，选取波长为1550纳米的光波，基底层1的材料为二氧化硅，折射率为1.444；介质加载层2和介质波导层4的材料均为硅，折射率为3.48，介质加载层2的厚度为60纳米，介质波导层4的厚度和宽度分别为270纳米和340纳米；条形金属薄膜层3的材料为金，折射率为0.524+i*10.742，条形金属薄膜层3的厚度和宽度分别为15纳米和210纳米；电介质隔离层7的材料为三氧化二铝，折射率为1.65，电介质隔离层7的厚度为2纳米。
图2是本发明电光调制器波导中TE、TM基模的等效折射率虚部随石墨烯化学势的变化示意图，从图中可以清晰看出，波导中TE、TM基模的等效折射率虚部随石墨烯化学势的变化几乎一致，这意味着石墨烯对TE、TM基模的吸收率几乎相同，即实现了偏振无关的电光调制功能。当石墨烯化学势小于0.3eV时，TE、TM基模的等效折射率虚部维持在一个较高的水平，此时光波导对光有着强烈的吸收效果，光信号几乎全部被吸收而无法通过调制器，这个状态可设定为调制器的“关”状态；当石墨烯化学势大于0.5eV时，TE、TM基模的等效折射率虚部迅速下降至一个很低的值，光波导对光的吸收能力变弱，光信号可以通过调制器，此时的工作状态可以设定为“开”状态。
图3是本发明电光调制器波导中TE、TM基模的归一化透射率在“开”和“关”状态时随传播长度的变化示意图，“关”和“开”状态对应的石墨烯化学势分别设定为0.28eV和0.52eV。从图中明显可见，在“关”状态，TE、TM基模的归一化透射率随传播长度的变化而迅速降低，相反，在“开”状态，TE、TM基模的归一化透射率则随传播长度缓慢下降；同时，无论在“关”或“开”状态，TE、TM基模的归一化透射率的变化曲线几乎一致，这意味着实现了偏振无关的电光调制。进一步计算表明，选取10μm长度的电光调制器，器件对TE和TM模式的消光比分别为22.86dB和22.34dB，其响应差异值仅为0.52dB，进一步表明本发明电光调制器具备良好的偏振无关调制效果。
实施例2：
基于上述实施例1，实施例中的石墨烯偏振无关电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
(1)清洁处理基底层1硅片：将基底层1硅片放入丙酮溶液中进行超声清洗，然后用去离子水将表面冲洗干净，之后用氮气吹干表面残留的去离子水，最后表面烘干去除水汽。
(2)利用物理蒸镀法(PVD)、化学蒸镀法(CVD)或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积制备介质加载层2，再通过磁控溅射方法在介质加载层2表面蒸镀金属薄膜层，最后利用电子束光刻(EBL)技术制备条形金属薄膜层3。
(3)利用PVD、CVD或PECVD技术沉积介质加载层4，再用EBL技术制备介质波导层4。
(4)在介质加载层4上物理转移第一石墨烯层5，之后运用EBL技术定义需要保留部分的石墨烯，再用氧等离子体干法刻蚀去掉多余部分的石墨烯层，然后用去离子水冲洗样片，最后自然晾干样片。
(5)利用上述工艺流程(4)物理转移第二石墨烯层6，在转移第二石墨烯层6之前，蒸镀沉积电介质隔离层7。
(6)在第一石墨烯层5和第二石墨烯层6的延伸部分分别制备第一电极8和第二电极9：利用EBL定义金属电极区域，之后通过磁控溅射方法蒸镀金属Au作为电极，最后利用标准的剥离工艺(lift-off)制备第一电极8和第二电极9。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：包括基底层(1)、表面等离子波导结构、石墨烯结构和电极结构；
表面等离子波导结构设置于基底层之上，其包括介质加载层(2)、设置于介质加载层之上的介质波导层(4)、嵌于介质加载层(2)和介质波导层(4)之间的条形金属薄膜层(3)，介质波导层(4)的宽度小于介质加载层(2)；
表面等离子波导结构的上表面和左右两侧面覆盖有石墨烯结构，其包括从下而上依次设置的第一石墨烯层(5)、电介质隔离层(7)和第二石墨烯层(6)，第一石墨烯层和第二石墨烯层部分或全部重叠；
电极结构设置于石墨烯结构之上，其包括第一电极(8)和第二电极(9)，第一石墨烯层沿着介质加载层(2)上表面向一侧延伸并与第一电极连接，第二石墨烯层沿着介质加载层(2)上表面向另一侧延伸并与第二电极连接。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述基底层(1)的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁中的任一种。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述介质加载层(2)和介质波导层(4)的材料相同，为硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的任一种。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述介质加载层(2)的厚度为30～120nm，所述介质波导层(4)的厚度为230～310nm，宽度为280～400nm。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述条形金属薄膜层(3)、第一电极(8)和第二电极(9)的材质为金、银、铜、铂或钛中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述条形金属薄膜层(3)的宽度为180～240nm，厚度为5～20nm。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述第一石墨烯层(5)和第二石墨烯层(6)的层数为1～10层。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：所述电介质隔离层(7)由绝缘材料制成，厚度为5～50nm。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯的偏振无关电光调制器，其特征在于：该调制器的制备方法包括如下步骤：
(1)在清洗后的基底层表面沉积介质加载层；
(2)在介质加载层表面沉积金属薄膜层，采用电子束光刻制备条形金属薄膜层；
(3)在金属薄膜层和介质加载层表面再次沉积介质加载层，并采用电子束光刻制备得到介质波导层，且使条形金属薄膜层位于介质波导层下方的中心位置；
(4)在介质加载层上转移第一石墨烯层，采用电子束光刻定义需要保留部分的石墨烯，干法刻蚀去除多余部分的第一石墨烯层；
(5)表面沉积得到电介质隔离层，转移第二石墨烯层，并去除多余的第二石墨烯层；使
(6)在第一石墨烯层和第二石墨烯层的延伸部分分别制备第一电极(8)和第二电极(9)。
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