CN113093409A - 一种基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器，由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、高分子聚合物限制层，还包括第一金属层、第二金属层。其中，高分子聚合物限制层位于硅光波导中央位置上方，用来限制硅光波导层中的光波传输。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高分子聚合物限制层下方重叠，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。该器件极大简化调制器制作流程，并在对二维材料的耦合效果以及调制效率等方面较传统调制器有较大提高。
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，其中吸收量的大小反映了二维材料与光场耦合的效果，吸收越大说明耦合效果越好。同时对于相位调制器来说，更希望相位的改变幅度较大而吸收量的改变幅度较小。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器，利用连续介质束缚态波导的调制器结构，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：一种基于连续介质束缚态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、高分子聚合物限制层、第一金属层、第二金属层；
所述硅光波导沉积在衬底层上，在所述硅光波导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，所述高分子聚合物限制层沉积在所述第二二维材料层上，并位于所述硅光波导中央位置上方，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，所述第一二维材料层与第二二维材料层在所述高分子聚合物限制层下方存在重叠。
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，所述高分子聚合物限制层采用高分子聚合物材料。
进一步的，所述电介质填充层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；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：利用连续介质束缚态的调制器结构，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，耦合效率接近传统调制器的两倍。
(2)高相移幅度：利用连续介质束缚态的调制器结构，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，基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器的相移幅度较传统调制器有一定提升。
(3)高密度集成：利用高分子聚合物限制层对光场的限制作用，在硅光波导中建立有限的光路，有效地提升二维材料与光场的相互作用，从而减少调制器尺寸，提高器件集成度。
(4)高性能保留：利用连续介质束缚态的调制器结构极好地保留了二维材料的物理性质，由于该结构中所有材料层都是平板材料，因而在其上覆盖二维材料时二维材料不会有过多挤压等操作带来的变形，因而二维材料的物理性质不会有过多改变，有效减少了传统调制器制作过程中放置二维材料时不可避免的对其物理特性的破坏。
(5)极简制备过程：由于连续带中完全约束态的辐射损失可以通过使其与连续模相消干涉来消除，因此在光子集成电路中利用连续介质束缚态允许低损耗的光在高折射率衬底上使用低折射率材料如高分子聚合物材料进行路由，受高分子聚合物限制层引导的光可以被限制在其下方的高折射率衬底的区域，这一技术使得调制器制作过程中几乎没有刻蚀的步骤，极大简化了调制器制作流程。
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的吸收量以及相位与电压的关系；
图4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，一种基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器，包括SiO2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、高分子聚合物限制层6、第一金属层7、第二金属层8。
硅光波导2沉积在衬底层1上，在硅光波导2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，高分子聚合物限制层6沉积在第二二维材料层5上，并位于硅光波导2中央位置上方。第一金属层7与第二金属层8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仅在高分子聚合物限制层6下方重叠。
其中，硅光波导2满足单模工作条件，且硅光波导2满足截止条件，波导中的传播模式截止。高分子聚合物限制层6采用折射率低于2的介质材料，并位于硅光波导2中央位置上方，从而限制硅光波导2中的光波传输路径为其正下方。由于硅光波导2厚度较小，光场在其上表面处被放大，同时由于高分子聚合物限制层6及电介质填充层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，从而使得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的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7和第二金属层8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。由于高分子聚合物限制层6限制了硅光波导2中的光波传输路径，因此第一二维材料层4和第二二维材料层5仅需在其正下方部位进行重叠。
本发明的基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器以其连续介质束缚态结构极好得保留了二维材料的物理性质。在传统二维材料调制器的制作过程中，由于硅光波导结构多为脊型波导，将二维材料覆盖于其上时由于表面不平整会对二维材料的物理性质造成破坏，而在本发明的电光调制器结构中，硅光波导2为整个硅平板，电介质填充层3也是一整个平面，在他们表面覆盖第一二维材料层4与第二二维材料层5时较为平整，因而对二维材料的物理性质不会造成破坏。由于硅光波导2连续带中完全约束态的辐射损失可以通过使其与连续模相消干涉来消除，因此在光子集成电路中利用连续介质束缚态允许低损耗的光在高折射率衬底上使用低折射率材料如高分子聚合物材料进行路由，这一技术使得调制器制作过程中几乎没有刻蚀的步骤，极大简化了调制器制作流程。本发明中即利用高分子聚合物限制层6将光场限制在其正下方的硅光波导2中央位置，同时由于仅在硅光波导2中央位置存在待调制光场，因此第一二维材料层4与第二二维材料层5仅需在高分子聚合物限制层6正下方进行重叠。
如图3所示，基于连续介质束缚态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变化量较小的电压区间。
如图4所示，在吸收量较小电压处，随着波导层厚度的增加，吸收量在逐渐减小，而调制效率也在不断降低。
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 (5)
1.一种基于连续介质束缚态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)、高分子聚合物限制层(6)、第一金属层(7)、第二金属层(8)；
所述硅光波导(2)沉积在衬底层(1)上，在所述硅光波导(2)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)，所述高分子聚合物限制层(6)沉积在所述第二二维材料层(5)上，并位于所述硅光波导(2)中央位置上方，所述第一金属层(7)与第二金属层(8)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，所述第一二维材料层(4)与第二二维材料层(5)在所述高分子聚合物限制层(6)下方存在重叠。
2.根据权利要求1所述的基于连续介质束缚态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所述的基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器，其特征在于，所述高分子聚合物限制层(6)采用高分子聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的基于连续介质束缚态的二维材料电光调制器，其特征在于，所述电介质填充层(3)材料为氧化铪或氧化铝。
5.根据权利要求1所述的基于连续介质束缚态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；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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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012145605A1 (en) * | 2011-04-22 | 2012-10-26 | The Regents Of The University Of California | Graphene based optical modulator |
| CN105022178A (zh) * | 2015-08-18 | 2015-11-04 | 电子科技大学 | 基于平面波导的石墨烯相位型光调制器 |
| CN105264430A (zh) * | 2013-12-05 | 2016-01-20 | 华为技术有限公司 | 一种光调制器及平面光子器件模组 |
| CN106526904A (zh) * | 2016-12-06 | 2017-03-22 | 深圳大学 | 一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012145605A1 (en) * | 2011-04-22 | 2012-10-26 | The Regents Of The University Of California | Graphene based optical modulator |
| CN105264430A (zh) * | 2013-12-05 | 2016-01-20 | 华为技术有限公司 | 一种光调制器及平面光子器件模组 |
| CN105022178A (zh) * | 2015-08-18 | 2015-11-04 | 电子科技大学 | 基于平面波导的石墨烯相位型光调制器 |
| CN106526904A (zh) * | 2016-12-06 | 2017-03-22 | 深圳大学 | 一种基于平面杂化波导的石墨烯电光调制器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZEJIE YU ET AL: "Hybrid 2D-Material Photonics with Bound States in the Continuum", 《ADV. OPTICAL MATER.》 * |
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