CN115857099A - 一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器及其测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器，包括：绝缘体上硅基层，以及在所述绝缘体上硅基层上形成的微环谐振器结构，其中，所述微环谐振器结构包括直波导和环形波导，在所述直波导的耦合区域开设一个或多个空气洞；在所述绝缘体上硅基层上铺设单层石墨烯，其中，所述单层石墨烯覆盖所述微环谐振器结构。与现有的硅基光学调制器相比，本发明结构简单，占用空间少，易于生产，能够实现更高的开关速率和调制速率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器及其测试系统。
背景技术
Fano共振光学涂层(Fano-resonant optical coatin,FROC)是指在原子吸收光谱中发现的非对称线性，这种不对称线形相对于洛伦兹线形的变化趋势更加尖锐，在Fano线型中，Δλ及半高宽较小，这对调制器调制速率的提升是有益的。
硅光器件由于其紧凑的封装，低能耗以及片上点链路的兼容性被广泛的研究，尽管硅是波导和滤波器等无源光学元件的优秀材料，但由于其低光电系数和低载流子迁移率，使用纯硅材料实现高性能光学调制具有挑战性。因此，硅调制器面临着期间尺寸大，热稳定性差和制造工艺复杂等问题，不过如果能将某些新型活性材料集成到硅芯片上能够优化这些问题。
石墨烯是一种二位平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。新型光电功能材料与器件的开发对电子、信息及通讯等领域的发展有极大的促进作用，其中，非线性光学材料再图像处理、光开关、光学存储及人员和器件保护等诸多领域有重要的应用前景。好的非线性光学材料通常具有大的偶极矩和π体系等特点，而石墨烯的结构特征正好符合这些要求。石墨烯卓越的电学和光学特性为构建各种光电子器件提供了巨大的潜力，而且与光具有强烈的相互作用，载流子迁移率高，光导率随栅压变化，特别是基于石墨烯的光调制器被证明具有占地面积小，速度快，与CMOS工艺兼容的特点，这为集成光子电路中的光调制提供了一种替代架构。在以往的文献中，石墨烯混合的调制器比普通的硅基调制器的开关速率提升了10％～90％。
发明内容
为了解决现有技术中微环谐振器结构中产生Fano线型容易演变为洛伦兹线型，调制器调制速率低的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器，所述Fano共振调制器包括：
绝缘体上硅基层，以及在所述绝缘体上硅基层上形成的微环谐振器结构，
其中，所述微环谐振器结构包括直波导和环形波导，在所述直波导的耦合区域开设一个或多个空气洞；
在所述绝缘体上硅基层上铺设单层石墨烯，其中，所述单层石墨烯覆盖所述微环谐振器结构。
优选地，所述绝缘体上硅基层上沉积第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极位于所述环形波导的一侧。
优选地，所述绝缘体上硅基层的厚度为340nm。
优选地，在所述绝缘体上硅基层上以电子束光刻或蚀刻的方式形成所述微环谐振器结构。
本发明的另一个目的在于提供一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的测试系统，所述测试系统包括Fano共振调制器，以及，
激光器，用于向所述Fano共振调制器发输入光；
光谱仪，用于接收所述Fano共振调制器的输出光；
直流电源，用于向所述Fano共振调制器提供直流电。
本发明提供的一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器及其测试系统，通过在微环谐振器结构的耦合部分波导开设一个或多个空气孔来产生Fano线型。利用石墨烯的优良特性，将其集成到硅基微环谐振器结构上，实现大的消光比，低功耗，提高载流子迁移率，增加光的耦合部分的效果，有利于Fano线型的产生。与现有的硅基光学调制器相比，本发明结构简单，占用空间少，易于生产，能够实现更高的开关速率和调制速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示意性示出了传统微环谐振器结构的光场传播原理示意图。
图2示出了本发明直波导的耦合区域开设空气孔的微环谐振器结构光场传播原理示意图。
图3示出了本发明一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的测试系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
为了解决现有技术中微环谐振器结构中产生Fano线型容易演变为洛伦兹线型，调制器调制速率低的技术问题，提出一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器。
为了使本发明更加清楚的得以说明，首先对微环谐振器结构的光场传播原理进行说明，如图1所示传统微环谐振器结构的光场传播原理示意图，入射光Ein经过直波导，再通过耦合区域时光分裂为两部分，一部分进入环形波导，一部分通过直波导。进入直波导的一部分将以0的振幅连续传播。另一部分以ikE0的振幅耦合到环形波导中。微环谐振器结构((MRR,Microring Resonators))的耦合长度为t，ik是从一个波导到另一个波导的耦合系数。
在环形波导内的光沿着波导传播并返回耦合区，其中，δ＝2πnLr/λ是往返相位延迟，a＝exp(-αLr)是往返振幅传输系数，n是有效折射率，λ是工作波长，Lr是环形波导的周长，α是线形损耗系数。
光场E1通过波导耦合区域时以同样的方式耦合，其中振幅为E1的部分以在直波导中传播，而振幅为ikE1的部分则在耦合到环形波导中，其将与直线波导中的光场相加。而光场的tE1部分还将在环形波导中循环并再次耦合到直线波导中。
因此，出射光的光场可计算为：
假设微环谐振器结构的耦合区没有光损耗，即t2+k2＝1，耦合部分的功率传输谱为：
在传统微环谐振器结构中，入射光在耦合区域分到直波导和环形波导中，它们具有相同的初始相位，在直导上的光可以分为连续型的光场和环形波导中耦合进去的离散型光场，在环形波导中的光场在循环回耦合区后有了2π整数倍的延迟，因此当离散光场耦合进直波导时，它相对于直波导中传输的连续型光场具有2π的整数差倍相位差，这将导致Fano线型的q值无限大，使其演变为对称的洛伦兹线形。所以必须将离散光场和连续光场之间的相位差修改为非2π的整数倍。
如图2所示本发明直波导的耦合区域开设空气孔的微环谐振器结构光场传播原理示意图，为了微环谐振器结构的洛伦兹共振线型修改为不对称Fano线型，需要改变离散光场和连续光场之间的相位差。本发明在微环谐振器结构的耦合区域的直波导上打一个空气洞，这个空气洞可以改变直波导上连续光场的相移。
由于直波导上的空气洞并不会改变磁流变共振结构，离散光场不会产生额外的相移，因此离散光场与连续光场之间的相位差不为2π的整数差倍，这样就可以形成Fano线型。插入的空气洞的大小不同将改变耦合系数，k1和k2不同，修改后的公式可以计算带有空气洞的微环谐振器结构的输出光场强度：
如图3所示本发明一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的测试系统的结构示意图，根据本发明的实施例，提供一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的测试系统，通过测试系统对本发明提供的一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器进行测试。
测试系统包括本发明提供的一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器，以及激光器200，用于向Fano共振调制器发输入光。光谱仪300，用于接收Fano共振调制器的输出光。直流电源400，用于向Fano共振调制器提供直流电。
本发明提供的一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器包括，绝缘体上硅(SOI)基层100，绝缘体上硅基层100的厚度为340nm。将绝缘体上硅基层100埋设在1μm氧化硅层中，在绝缘体上硅基层100上形成的微环谐振器结构。具体地，在绝缘体上硅基层100上以电子束光刻或蚀刻的方式形成微环谐振器结构。
微环谐振器结构包括直波导101和环形波导102，在直波导101的耦合区域开设一个或多个空气洞103。本实施例中示例性的开设一个空气洞103。空气洞103可以使通过的光产生相移以形成Fano线型。
绝缘体上硅基层100上沉积第一电极104和第二电极105，第一电极104和第二电极105位于环形波导102的一侧。在一个优选的实施例中，第一电极104和第二电极105选用金/钛电极。
在绝缘体上硅基层100上铺设单层石墨烯106，单层石墨烯106覆盖微环谐振器结构。
由于硅光器件有较大的热光系数，热光调制器是一种不错的调制器设计方案，而石墨烯的导电率高达5300×10-4K-1，且具有很好的热传导能力。本发明石墨烯与热光调制的硅芯片的组合将石墨烯中的加热效应和超高导热率与硅的热光效应可以有效结合。并且石墨烯是层状的并且柔韧性好，它可以直接铺在微环谐振器结构上，制造方法简单。
对本发明提供的一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的测试过程为，首先激光器200发出光源，直流电源400向Fano共振调制器提供直流电，光源从直波导101的Input端口输入，经过耦合区后从直波导101的Output端口输出，光谱议300采集直波导101的Output端口的光信号，从而可测得本发明一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的光谱。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器，其特征在于，所述Fano共振调制器包括：
绝缘体上硅基层，以及在所述绝缘体上硅基层上形成的微环谐振器结构，
其中，所述微环谐振器结构包括直波导和环形波导，在所述直波导的耦合区域开设一个或多个空气洞；
在所述绝缘体上硅基层上铺设单层石墨烯，其中，所述单层石墨烯覆盖所述微环谐振器结构。
2.根据权利要求1所述的Fano共振调制器，其特征在于，所述绝缘体上硅基层上沉积第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极位于所述环形波导的一侧。
3.根据权利要求1所述的Fano共振调制器，其特征在于，所述绝缘体上硅基层的厚度为340nm。
4.根据权利要求1所述的Fano共振调制器，其特征在于，在所述绝缘体上硅基层上以电子束光刻或蚀刻的方式形成所述微环谐振器结构。
5.一种石墨烯混合硅基Fano共振调制器的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括权利要求1至4任一权利要求所述的Fano共振调制器，以及，
激光器，用于向所述Fano共振调制器发输入光；
光谱仪，用于接收所述Fano共振调制器的输出光；
直流电源，用于向所述Fano共振调制器提供直流电。
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