CN113093408A - 一种基于高纵横比波导的二维材料电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开发明了基于高纵横比波导的二维材料电光调制器。自下而上依次包括衬底层、硅光波导、电介质填充层、第一二维材料层、第二二维材料层，还包括第一金属层、第二金属层。第一金属层与第二金属层分别沉积在第一二维材料层上方靠右侧和第二二维材料层上方靠左侧。第一二维材料层与第二二维材料层仅在硅光波导上方重叠，以增强二维材料与光的相互作用，用来提高调制效率和速率。硅光波导使用波导宽度远超厚度的高纵横比几何结构，通过遏制侧壁色散使平面波导损耗最小化，并在对二维材料的耦合效果以及相位调制幅度等方面较传统二维材料调制器有极大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二维材料电光调制器。
背景技术
硅基光电子技术因其高密度集成、大带宽、高传输速率及抗干扰的优点，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。传统二维材料嵌入式调制器的光被限制在芯层中传输，调制器通过对芯层两侧电极施加不断变化的电压来改变二维材料的物理性质诸如费米能级、折射率等，从而达到调制二维材料层下方波导层中光波的目的。利用渐逝波耦合等耦合方法，二维材料附着在硅层上对光波进行调制。由于电压不断变化，调制器的吸收与相位随之发生改变，其中吸收和相位的变化大小反映了二维材料与光场耦合的效果，吸收和相位变化越大说明耦合效果越好。对于相位调制器而言，更希望相位的改变幅度较大而吸收量较小。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于高纵横比波导的二维材料集成电光调制器，利用高纵横比波导结构集成二维材料，提高二维材料性能，整型光场形状，增强二维材料和光场的相互作用。
技术方案：一种基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，包括衬底层、硅光波导、电介质填充层、第一二维材料层、第二二维材料层、第一金属层、第二金属层；
所述硅光波导结构掩埋在衬底层上，硅光波导为高纵横比波导结构；在所述硅光波导及衬底层上覆盖第一二维材料层，所述电介质填充层沉积在所述第一二维材料层上，在所述电介质填充层上覆盖第二二维材料层，所述第一二维材料层与第二二维材料层仅在所述硅光波导上方重叠，所述第一金属层与第二金属层分别沉积在所述第一二维材料层上方靠右侧和所述第二二维材料层上方靠左侧，在所述第二二维材料层上继续沉积电介质，并与所述电介质填充层形成整体结构。
进一步的，所述第一二维材料层和第二二维材料层采用的二维平面材料为石墨烯或过渡金属硫化物。
进一步的，位于所述第一二维材料层和第二二维材料层中间的所述电介质填充层部分材料为氧化铪或氧化铝。
进一步的，所述硅光波导满足单模工作条件，纵横比>10:1；所述硅光波导满足截止条件，波导中的传播模式截止。
有益效果：相较于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)高耦合效率：利用高纵横比波导集成二维材料的调制器结构，在普通波导渐逝波耦合基础上，对模场形状进行整型，使光场跟二维材料层重合度更高，从而有效加强了二维材料层与光场的耦合效果。二维材料以石墨烯为例，耦合效率超出传统二维材料调制器两倍以上。
(2)高相移幅度：利用高纵横比波导集成二维材料的调制器结构，在普通波导渐逝波耦合基础上，对模场形状进行整形，使光场跟二维材料层重合度更高，在一定电压区间内，基于高纵横比波导的二维材料电光调制器的相移幅度较传统二维材料调制器有极大提升。二维材料以石墨烯为例，相移幅度接近传统二维材料调制器的两倍。
(3)超低传输损耗：高纵横比波导使用波导宽度远超厚度的高纵横比几何结构，通过遏制侧壁色散使平面波导损耗最小化，尤其是在弯曲的情况下，损耗较传统二维材料调制器极低。
(4)高密度集成：由于高纵横比波导传输损耗低且对光场有较强限制作用，二维材料与光场的相互作用得到有效提升，从而减少调制器尺寸，提高器件集成度。
附图说明
图1为本发明中电光调制器横截面结构示意图；
图2为本发明电光调制器的俯视结构示意图；
图3为本发明电光调制器中衬底层、第一二维材料层与第二二维材料层的俯视结构示意图；
图4为本发明电光调制器的吸收量及相位与电压的关系；
图5为本发明电光调制器在吸收量较小处调制效率及吸收量与波导层厚度t的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，包括衬底层1、硅光波导2、电介质填充层3、第一二维材料层4、第二二维材料层5、第一金属层6、第二金属层7。
硅光波导2结构掩埋在衬底层1上，硅光波导2为高纵横比波导结构；在硅光波导2及衬底层1上覆盖第一二维材料层4，电介质填充层3沉积在第一二维材料层4上，在电介质填充层3上覆盖第二二维材料层5；在第二二维材料层5上继续沉积电介质填充层3。第一金属层6与第二金属层7分别沉积在第一二维材料层4上方靠右侧和第二二维材料层5上方靠左侧。第一二维材料层4与第二二维材料层5仅在硅光波导2上方重叠。
其中，硅光波导2满足单模工作条件，波导宽度远超厚度，具体的波导宽度与厚度的比值即纵横比>10:1；且硅光波导2满足截止条件，波导中的传播模式截止。由于硅光波导2厚度较小，光场在其上表面处被放大，同时由于电介质填充层3折射率低于硅光波导2，光场会向上方扩散，光场场形状得到整型，光场与第一二维材料层4重合度变得更高。第一二维材料层4和第二二维材料层5采用的二维平面材料为石墨烯或过渡金属硫化物。电介质填充层3位于第一二维材料层4和第二二维材料层5中间的部分，材料为氧化铪或氧化铝。第二二维材料层5通过电介质填充层3与第一二维材料层4隔离，第一二维材料层4、第二二维材料层5以及电介质填充层3构成电容。信号光在硅光波导2中传输，信号光与第一二维材料层4耦合；通过分别调节第一金属层6和第二金属层7上的电压，在该电容中产生可调节电场从而调制第一二维材料层4的费米能级进而实现对光场相位的调制；经过第一二维材料层4相位调制后的信号光仍通过硅光波导2输出。
本发明中由于光全部在硅光波导2中传输，仅在硅光波导2中存在待调制光场，因此第一二维材料层4与第二二维材料层5仅需在硅光波导2正上方进行重叠。
为了满足更高的技术要求，达到二维材料与光场产生更好耦合的同时相移的幅度更加剧烈且吸收量幅度趋近平缓，本发明的基于高纵横比波导的二维材料电光调制器利用高纵横比波导集成二维材料的结构，在普通波导渐逝波耦合基础上，对光场形状进行整型，使光场跟二维材料层重合度更高；该器件使用波导宽度远超厚度的高纵横比几何结构，通过遏制侧壁色散使平面波导损耗最小化；在对二维材料的耦合效果以及相位调制幅度、调制效率等方面较传统二维材料调制器有较大提高，对实现更高效，高密度，高性能，易制备的硅基光调制器提供了一种有效的解决方案，在高度密集集成的片上系统中具有重要的应用前景。
如图3所示，基于高纵横比波导的二维材料电光调制器的吸收效果以及相移随电压变化，从图中可以选取合适的电压区间，一般相位调制器需综合考虑电压较小且吸收量较小的电压区间。
如图4所示，随着波导层厚度增加到一定程度，吸收量在逐渐增加而调制效率降低，当波导层厚度增加到约0.08μm以上时，吸收量随厚度的增大而减小，而调制效率增加。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，其特征在于，包括衬底层(1)、硅光波导(2)、电介质填充层(3)、第一二维材料层(4)、第二二维材料层(5)、第一金属层(6)、第二金属层(7)；
所述硅光波导(2)结构掩埋在衬底层(1)上，硅光波导(2)为高纵横比波导结构；在所述硅光波导(2)及衬底层上覆盖第一二维材料层(4)，所述电介质填充层(3)沉积在所述第一二维材料层(4)上，在所述电介质填充层(3)上覆盖第二二维材料层(5)，所述第一二维材料层(4)与第二二维材料层(5)仅在所述硅光波导(2)上方重叠，所述第一金属层(6)与第二金属层(7)分别沉积在所述第一二维材料层(4)上方靠右侧和所述第二二维材料层(5)上方靠左侧，在所述第二二维材料层(5)上继续沉积电介质，并与所述电介质填充层(3)形成整体结构。
2.根据权利要求1所述的基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，其特征在于，所述第一二维材料层(4)和第二二维材料层(5)采用的二维平面材料为石墨烯或过渡金属硫化物。
3.根据权利要求1所述的基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，其特征在于，位于所述第一二维材料层(4)和第二二维材料层(5)中间的所述电介质填充层(3)部分的厚度小于等于10nm，材料为氧化铪或氧化铝。
4.根据权利要求1所述的基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，其特征在于，所述硅光波导(2)满足单模工作条件，纵横比>10:1；所述硅光波导(2)满足截止条件，波导中的传播模式截止。
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