CN216595802U - 一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，包括倒置的“U”型石墨烯层、二氧化硅包层、二氧化硅衬底层、方形GaAs芯层、倒置的“U”型多晶硅电极层和两个金属电极；方形GaAs芯层被二氧化硅包层包裹，位于二氧化硅衬底层上方；倒置的“U”型多晶硅电极层夹杂在二氧化硅包层和二氧化硅衬底层中；倒置的“U”型石墨烯层平放在二氧化硅包层和二氧化硅衬底层上方；两个金属电极分别放置于左边多晶硅电极层上方和右边的石墨烯层上方；通过调节外加电压改变石墨烯的费米能级即改变石墨烯的复介电常数从而影响TE和TM模式的模厂能量分布，做到对两束正交的偏振光进行同时调制。十分紧凑，有利用太赫兹光路的集成。

Description

一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器

技术领域

本实用新型涉及电光调制器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器。

背景技术

太赫兹波的光子能量小、穿透性好、带宽宽等独特性质在国家安全、生物医学、太赫兹通讯等方面都有着重要应用。石墨烯(Graphene)，一种碳原子紧密堆积成的具有六边形蜂窝状的二维结构，被认为是一种可以替代贵金属实现中红外到太赫兹波段表面等离子体波激励和传输的新型材料。通过改变石墨烯的化学掺杂、外加电场、磁场、门电路电压等可以实现对石墨烯的复电导率的灵活调节，所以在光调制器中已得到广泛的研究和应用。

电光调制器作为当代光通信收发模块应用中的核心器件，其性能的好坏将直接决定网络传输的性能。传统的基于铌酸锂的光电调制器虽然技术成熟，但其器件尺寸大不利于集成。硅调制器虽然与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容，但是面临光电效率低的问题。基于III-V的调制器的尺寸虽小，但是插入损耗和热稳定性仍有待提高。LONGFANG YE等人提出的石墨烯混合等离子体调制波导器，其在10～20THz的宽带频率范围内，调制深度大于51％，在18THz以上的频率范围内接近100％，具有良好的应用前景。但是大多数报道的工作只能在横向磁极化(TM)或横向电极化(TE)下独立工作。偏振控制功能的引入必然使器件结构复杂化。因此，设计一种结构紧凑、插入损耗小、热稳定性好、且偏振不敏感的光调制器是很有必要的。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，通过倒置的“U”型石墨烯结构以及外加电压来同时控制TE偏振模式和TM偏振模式的传输损耗。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，包括倒置的“U”型石墨烯层、二氧化硅包层、二氧化硅衬底层、方形GaAs芯层、倒置的“U”型多晶硅电极层和两个金属电极；

所述方形GaAs芯层被二氧化硅包层包裹，位于二氧化硅衬底层上方；

所述倒置的“U”型多晶硅电极层夹杂在二氧化硅包层和二氧化硅衬底层中；

所述倒置的“U”型石墨烯层平放在二氧化硅包层和二氧化硅衬底层上方；

两个金属电极分别放置于左边多晶硅电极层上方和右边的石墨烯层上方；

通过调节外加电压改变石墨烯的费米能级即改变石墨烯的复介电常数从而影响TE和TM模式的模厂能量分布，做到对两束正交的偏振光进行同时调制。

进一步地，所述方形GaAs芯层的折射率为3.6，高度和宽度均为22μm。

进一步地，所述二氧化硅包层的折射率为2.5，高度和宽度均为30μm。

进一步地，所述石墨烯层的层数设为单层，其厚度为0.7nm。

进一步地，所述多晶硅电极层的介电常数为3，其厚度为0.05μm。

进一步地，所述方形GaAs芯层距离顶部的石墨烯层间隔和距离两个侧壁石墨烯层的间隔均为4μm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

目前大多数的光调制器都和偏振有关，并只能调制一种偏振态，很大的限制了其应用场景。本实用新型偏振不敏感光调制器通过调节外加电压改变石墨烯的费米能级即改变石墨烯的复介电常数从而影响TE和TM模式的模厂能量分布；做到对两束正交的偏振光进行同时调制，例如对一束圆偏振光进行调制，能够对两束正交的偏振光进行同时调制。

本实用新型首次在THZ频率范围内提出偏振不敏感光调制器。

本实用新型偏振不敏感光调制器的入射光的TE偏振模式的传输损耗随着石墨烯费米能级的增加而减小，TM偏振模式的传输损耗随着石墨烯费米能级的增加而减小。TM偏振模式和TE偏振模式这两种偏振模式光的传输损耗和石墨烯费米能级有着相同的变化关系，并且两种模式的传输损耗值在相同费米能级下相差很小充分体现了本实用新型的偏振不敏感调制器优异的调制性能。

本实用新型定义调制深度，为两种偏振模式下传输损耗的最大值减去最小值。本实用新型费米能级为1.0eV时，TE偏振模式的调制深度为0.221dB/μm， TM偏振模式的调制深度为0.219dB/μm,这两种偏振模式的调制深度差值仅为 0.002dB/μm。

本实用新型偏振不敏感光调制器的TE偏振模式和TM偏振模式的实部有效折射率与石墨烯的费米能级之间有着相同的变化关系，随着石墨烯费米能级的增加，TE偏振模式和TM偏振模式的实部有效折射率都逐渐减小。并且当石墨烯的费米能级相同时，两种模式之间实部有效折射率在数值上几乎相同。

随着石墨烯费米能级E_f的减小，TM偏振模式的电场能量会逐渐向顶部石墨烯集中，导致顶部石墨烯对光的吸收损耗变大，所以模式的损耗也变大，模场有效面积减小，所以导致模式的有效折射率增大。随着石墨烯费米能级E_f的减小，TE偏振模式的电场能量逐渐向两边侧壁石墨烯集中，导致侧壁石墨烯对光的吸收损耗变大，所以模式的损耗也变大，模场有效面积减小，所以导致模式的有效折射率增大。

本实用新型偏振不敏感光调制器可以很好在2.5THz至3.5THz频率之间发挥作用，此时工作带宽可以达到1THz。

本实用新型偏振不敏感光调制器在2.5THz至3.5THz频率的工作带宽范围内，TE偏振模式和TM偏振模式的传输损耗十分接近并且有着相同的变化趋势。且在整个2.5THz至3.5THz频率范围内TE偏振模式和TM偏振模式的传输损耗值都很接近，这也很好的证明了本实用新型偏振不敏感调制器在整个2.5THz至 3.5THz频率范围都具有很优异调制能力。

本实用新型偏振不敏感光调制器十分紧凑，波导的尺寸面积仅为30μm× 30μm，非常有利用太赫兹光路的集成。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器的立体结构图；

图2为本实用新型基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器的横截面图及结构的具体参数值；

图3为本实用新型基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器TE偏振模式和TM偏振模式在不同石墨烯费米能级下传输损耗的模拟示意图；

附图标记说明：

1、倒置的“U”型石墨烯层；2、二氧化硅包层；3、方形GaAs芯层；4、倒置的“U”型多晶硅电极层；5、两个金属电极；6、二氧化硅衬底层。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提出了一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，该光调制器可以通过调节外加电压改变石墨烯的费米能级即改变石墨烯的复介电常数从而影响TE和TM模式的模厂能量分布，做到对两束正交的偏振光进行同时调制。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，包括倒置的“U”型石墨烯层1、二氧化硅包层2、二氧化硅衬底层6、方形GaAs芯层3、倒置的“U”型多晶硅电极层4和两个金属电极5。

所述方形GaAs芯层3的折射率为3.6，高度和宽度均为22μm。

所述方形GaAs芯层3被折射率2.5、高度和宽度均为30μm的二氧化硅包层2包裹，位于二氧化硅衬底层6上方。

所述倒置的“U”型多晶硅电极层4夹杂在二氧化硅包层2和二氧化硅衬底层6中。

所述倒置的“U”型石墨烯层1平放在二氧化硅包层2和二氧化硅衬底层6 上方。

两个金属电极5分别放置于左边多晶硅电极层4上方和右边的石墨烯层1 上方。

所述石墨烯层1的层数设为单层，其厚度为0.7nm。

所述多晶硅电极层4的介电常数为3，其厚度为0.05μm。

多晶硅的介电常数和二氧化硅的介电常数相差不大，对光场分布和传输影响很小。

所述方形GaAs芯层3距离顶部的石墨烯层1间隔和距离两个侧壁石墨烯层 1的间隔均为4μm。

本实用新型实施例提供的基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器通过倒置的“U”型石墨烯结构以及外加电压来同时控制TE偏振模式和TM偏振模式的传输损耗。

目前大多数的光调制器都和偏振有关，并只能调制一种偏振态，很大的限制了其应用场景。本实用新型偏振不敏感光调制器通过调节外加电压改变石墨烯的费米能级即改变石墨烯的复介电常数从而影响TE和TM模式的模厂能量分布；做到对两束正交的偏振光进行同时调制，例如对一束圆偏振光进行调制，能够对两束正交的偏振光进行同时调制。

本实用新型首次在THZ频率范围内提出偏振不敏感光调制器。

如图3本实用新型偏振不敏感光调制器TE偏振模式和TM偏振模式在不同石墨烯费米能级下传输损耗的模拟示意图所示，本实用新型偏振不敏感光调制器的入射光的TE偏振模式的传输损耗随着石墨烯费米能级的增加而减小，TM偏振模式的传输损耗随着石墨烯费米能级的增加而减小。TM偏振模式和TE偏振模式这两种偏振模式光的传输损耗和石墨烯费米能级有着相同的变化关系，并且两种模式的传输损耗值在相同费米能级下相差很小充分体现了偏振不敏感光调制器优异的调制性能。

本实用新型定义调制深度，为两种偏振模式下传输损耗的最大值减去最小值。如图3所示，费米能级为1.0eV时，TE偏振模式的调制深度为0.221dB/ μm，TM偏振模式的调制深度为0.219dB/μm,这两种偏振模式的调制深度差值仅为0.002dB/μm。

本实用新型偏振不敏感光调制器的TE偏振模式和TM偏振模式的实部有效折射率与石墨烯的费米能级之间有着相同的变化关系，随着石墨烯费米能级的增加，TE偏振模式和TM偏振模式的实部有效折射率都逐渐减小。并且当石墨烯的费米能级相同时，两种模式之间实部有效折射率在数值上几乎相同。

随着石墨烯费米能级E_f的减小，TM偏振模式的电场能量会逐渐向顶部石墨烯集中，导致顶部石墨烯对光的吸收损耗变大，所以模式的损耗也变大，模场有效面积减小，所以导致模式的有效折射率增大。随着石墨烯费米能级E_f的减小，TE偏振模式的电场能量逐渐向两边侧壁石墨烯集中，导致侧壁石墨烯对光的吸收损耗变大，所以模式的损耗也变大，模场有效面积减小，所以导致模式的有效折射率增大。

本实用新型偏振不敏感光调制器可以很好在2.5THz至3.5THz频率之间发挥作用，此时工作带宽可以达到1THz。

本实用新型偏振不敏感光调制器在2.5THz至3.5THz频率的工作带宽范围内，TE偏振模式和TM偏振模式的传输损耗十分接近并且有着相同的变化趋势。且在整个2.5THz至3.5THz频率范围内TE偏振模式和TM偏振模式的传输损耗值都很接近，这也很好的证明了我们所设计的这款石墨烯偏振不敏感调制器在整个2.5THz至3.5THz频率范围都具有很优异调制能力。

本实用新型偏振不敏感光调制器十分紧凑，波导的尺寸面积仅为30μm× 30μm，非常有利用太赫兹光路的集成。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，其特征在于，包括倒置的“U”型石墨烯层、二氧化硅包层、二氧化硅衬底层、方形GaAs芯层、倒置的“U”型多晶硅电极层和两个金属电极；

所述方形GaAs芯层被二氧化硅包层包裹，位于二氧化硅衬底层上方；

所述倒置的“U”型多晶硅电极层夹杂在二氧化硅包层和二氧化硅衬底层中；

所述倒置的“U”型石墨烯层平放在二氧化硅包层和二氧化硅衬底层上方；

两个金属电极分别放置于左边多晶硅电极层上方和右边的石墨烯层上方；

通过调节外加电压改变石墨烯的费米能级即改变石墨烯的复介电常数从而影响TE和TM模式的模厂能量分布，做到对两束正交的偏振光进行同时调制。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，其特征在于，所述方形GaAs芯层的折射率为3.6，高度和宽度均为22μm。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，其特征在于，所述二氧化硅包层的折射率为2.5，高度和宽度均为30μm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，其特征在于，所述石墨烯层的层数设为单层，其厚度为0.7nm。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，其特征在于，所述多晶硅电极层的介电常数为3，其厚度为0.05μm。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波段偏振不敏感光调制器，其特征在于，所述方形GaAs芯层距离顶部的石墨烯层间隔和距离两个侧壁石墨烯层的间隔均为4μm。

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