CN113064289A - 一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器及其制备工艺，包括衬底，在衬底表面形成的第一绝缘层，在第一绝缘层上布置的石墨烯层，在石墨烯层上方形成的第二绝缘层，所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括通过光刻或者沉积于石墨烯层上的金属电极以及通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式设置于第二绝缘层上面的氧化钒薄膜层。本发明的优势在于充分利用石墨烯和氧化钒的优良特性，实现小尺寸、低插损、高消光比、工作波长范围宽的特点。

Description

一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器及其制备工艺
技术领域
本发明属于光调制技术领域，尤其涉及一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器及其制备工艺。
背景技术
光调制器可将电信号加载到光波上，小尺寸高消光比光调制器具有重要意义。石墨烯具有优越的电学和热学性能，电流通过石墨烯会快速产生高温，电流停止，石墨烯迅速降温。氧化钒在温度升高时会由半导体态变成金属态，光吸收系数变化剧烈，因此控制氧化钒的温度可以控制其光吸收系数，实现对光的调制。利用石墨烯电热源，可以改变氧化钒的光系数系数，实现热光调制器。此方法创新的充分利用石墨烯和氧化钒的各自优势，有望研制出高性能的新型热光调制器。
小尺寸光调制器对实现高密度光电集成具有重要意义。目前的小尺寸光调制器有微环光调制器、电吸收光调制器、等离子体光调制器。其中微环光调制器的热稳定性很差，为了提高热稳定性会增加很多温控设计提高成本；电吸收光调制器的消光比较低；等离子体光调制器的插损较大。
针对现有技术的缺陷，需要设计出一种新的调制器结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小、消光比高、插损小、工作波长范围宽的石墨烯辅助氧化钒热光调制器及其制备工艺。
为了实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器，包括衬底，在衬底表面形成的第一绝缘层，在第一绝缘层上布置的石墨烯层，在石墨烯层上方形成的第二绝缘层，所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括通过光刻或者沉积于石墨烯层上的金属电极以及通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式设置于第二绝缘层上面的氧化钒薄膜层。
作为本发明的进一步改进，所述衬底为石英，第一绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-50nm。
作为本发明的进一步改进，所述第二绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-20nm。
作为本发明的进一步改进，所述氧化钒薄膜层的厚度为50-200nm。
作为本发明的进一步改进，所述金属电极包括与第二绝缘层接触的粘附层以及在粘附层上方的惰性金属层，所述粘附层为钛金属，惰性金属层为Au。
作为本发明的进一步改进，所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括设置于衬底与第一绝缘层中间的氧化硅层，所述氧化硅层上刻蚀形成光波导。
作为本发明的进一步改进，所述光波导为硅材料或氮化硅材料。
作为本发明的进一步改进，所述光波导左右两侧以及下方均为氧化硅层，上方为第一绝缘层。
本发明还提供一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器的制备工艺，包括以下步骤，准备透明衬底，在衬底上制备第一绝缘层，然后通过标准的湿法转移方式将石墨烯层布置于第一绝缘层上面，接着在石墨烯上面再制备第二绝缘层，接着在通过光刻和金属沉积在第二绝缘层上形成金属电极，最后通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式在第二绝缘层上制备氧化钒薄膜。
作为本发明的进一步改进，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为ALD氧化铝层。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明的优势在于充分利用石墨烯和氧化钒的优良特性，实现小尺寸、低插损、高消光比、工作波长范围宽的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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是本发明石墨烯辅助氧化钒热光调制器结构示意图；
图2是本发明石墨烯辅助氧化钒热光调制器工作状态示意图；
图3是本发明石墨烯辅助氧化钒热光调制器的制备工艺流程图；
图4是本发明石墨烯辅助氧化钒热光调制器另一结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
实施方式一
本实施方式提供了一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器，如图1-2，包括衬底1，在衬底表1面形成的第一绝缘层2，在第一绝缘层2上布置的石墨烯层3，在石墨烯层3上方形成的第二绝缘层5，所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括通过光刻或者沉积于石墨烯层3上的金属电极4以及通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式设置于第二绝缘层5上面的氧化钒薄膜层6。
所述衬底为石英，第一绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-50nm，所述第二绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-20nm，所述氧化钒薄膜层的厚度为50-200nm。
所述金属电极包括与第二绝缘层接触的粘附层以及在粘附层上方的惰性金属层，所述粘附层为钛金属，惰性金属层为Au。金属电极包括一个正电极和一个负电极。
本实施方式还提供了一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器的制备工艺，如图3，包括以下步骤，准备透明衬底，在衬底上制备第一绝缘层，然后通过标准的湿法转移方式将石墨烯层布置于第一绝缘层上面，接着在石墨烯上面再制备第二绝缘层，接着在通过光刻和金属沉积在第二绝缘层上形成金属电极，最后通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式在第二绝缘层上制备氧化钒薄膜。
工作时，入射光从氧化钒薄膜层一侧射入，经第二绝缘层、石墨烯层、第一绝缘层、衬底之后从下方射出，然后在金属电极上施加电压，石墨烯会升温，慢慢的氧化钒薄膜层的温度也会逐渐身高，而随着温度的升高，氧化钒会由半导体相变成金属相，入射光在氧化钒中的吸收率和散射会急剧增加，透过氧化钒薄膜层的透射光会急剧减少，最终实现光的关断。这时候将加载在金属电极上的电压撤销，石墨烯的温度慢慢降低恢复正常，氧化钒也会由金属相重新转变成半导体相，透光率恢复成初始状态，出射光恢复正常。
实施方式二
本实施方式提供了一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器，如图4，包括衬底1，在衬底1表面形成的第一绝缘层2，在第一绝缘层2上布置的石墨烯层3，在石墨烯层3上方形成的第二绝缘层5，所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括通过光刻或者沉积于石墨烯层3上的金属电极4以及通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式设置于第二绝缘层5上面的氧化钒薄膜层6。
所述衬底为硅材料，第一绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-50nm，所述第二绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-20nm，所述氧化钒薄膜层的厚度为50-200nm。
所述金属电极包括与第二绝缘层接触的粘附层以及在粘附层上方的惰性金属层，所述粘附层为钛金属，惰性金属层为Au。金属电极包括一个正电极和一个负电极。
所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括设置于衬底1与第一绝缘层2中间的氧化硅层7，所述氧化硅层7上刻蚀形成光波导8，所述光波导为硅材料或氮化硅材料，所述光波导左右两侧以及下方均为氧化硅层，上方为第一绝缘层。
工作时，入射光从氧化钒薄膜层一侧射入，经第二绝缘层、石墨烯层、第一绝缘层之后进入光波导中，然后在金属电极上施加电压，石墨烯会升温，慢慢的氧化钒薄膜层的温度也会逐渐身高，而随着温度的升高，氧化钒会由半导体相变成金属相，入射光在氧化钒中的吸收率和散射会急剧增加，透过氧化钒薄膜层的透射光会急剧减少，最终实现光的关断。这时候将加载在金属电极上的电压撤销，石墨烯的温度慢慢降低恢复正常，氧化钒也会由金属相重新转变成半导体相，透光率恢复成初始状态，进入光波导中的光恢复正常。如此，充分利用石墨烯的电热特性和氧化钒的热致相变特性实现的光的调制。
在本发明中，充分利用石墨烯的电热特性和氧化钒的热致相变特性实现的光的调制，通过电极加热，使得石墨烯层温度升高，以此来给石墨烯层上的氧化钒薄膜层进行加热升温，而氧化钒自身具备的热变相特性实现了光的透射和关断，本发明提供的石墨烯辅助氧化钒热光调制器实现了小尺寸、低插损、高消光比、工作波长范围宽的特性。
应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器，包括衬底，在衬底表面形成的第一绝缘层，在第一绝缘层上布置的石墨烯层，在石墨烯层上方形成的第二绝缘层，其特征在于：所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括通过光刻或者沉积于石墨烯层上的金属电极以及通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式设置于第二绝缘层上面的氧化钒薄膜层。
2.根据权利要求1所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述衬底为石英，第一绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-50nm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述第二绝缘层为ALD氧化铝层，厚度为10-20nm。
4.根据权利要求1所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述氧化钒薄膜层的厚度为50-200nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述金属电极包括与第二绝缘层接触的粘附层以及在粘附层上方的惰性金属层，所述粘附层为钛金属，惰性金属层为Au。
6.根据权利要求1所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述石墨烯辅助氧化钒热光调制器还包括设置于衬底与第一绝缘层中间的氧化硅层，所述氧化硅层上刻蚀形成光波导。
7.根据权利要求6所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述光波导为硅材料或氮化硅材料。
8.根据权利要求6所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器，其特征在于：所述光波导左右两侧以及下方均为氧化硅层，上方为第一绝缘层。
9.一种石墨烯辅助氧化钒热光调制器的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤，准备透明衬底，在衬底上制备第一绝缘层，然后通过标准的湿法转移方式将石墨烯层布置于第一绝缘层上面，接着在石墨烯上面再制备第二绝缘层，接着在通过光刻和金属沉积在第二绝缘层上形成金属电极，最后通过磁控溅射、反应离子溅射或者沉积金属再氧化的方式在第二绝缘层上制备氧化钒薄膜。
10.根据权利要求9所述的石墨烯辅助氧化钒热光调制器的制备工艺，其特征在于：所述第一绝缘层和第二绝缘层均为ALD氧化铝层。
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