基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器的製作方法
2023-04-22 18:12:31
本發明屬於光電子技術領域，具體涉及基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器。
背景技術：
傳統的光調製器實現手段主要包括：Si基材料的載流子色散效應、聚合物材料的電光、熱光效應、鈮酸鋰材料的電光效應和特殊材料的電致或磁致伸縮特性。但傳統的調製器受自身材料特性的局限性，Si基光調製器和鈮酸鋰光調製器的調製速率已達到瓶頸，突破50GHz極為困難，且器件體積較大、調製電壓較高；聚合物光調製器的熱和化學穩定性較差；InP基光調製器工藝複雜、成本高，且有較大的啁啾；電致或磁致伸縮材料雖可以減小器件的體積和插入損耗，但調製帶寬較小。
石墨烯材料超寬光譜的吸收範圍，超高的載流子遷移率，其光學特性可以被人為調控，並且其工藝與傳統CMOS工藝兼容，被認為是未來Si材料的替代者，是製作光調製器的理想材料(見文獻Kinam Kim,et al.A role for graphene in silicon-based semiconductor devices.Nature,2011,Vol 479,p338-344)。目前，基於石墨烯材料的光學調製器已經得到廣泛的研究，但實現的光調製速率卻不是很理想，目前文獻報導的最大調製帶寬在30GHz左右(見文獻C.T.Phare,et al.Graphene electro-optic modulator with 30GHz bandwidth,Nature Photonics 9,2015)，還不及傳統Si基光調製器所實現的調製帶寬。這主要受限於集總電極結構的較大RC常數限制。而石墨烯材料具有超高的載流子遷移率，其本徵的工作帶寬可達500GHz。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，進一步提高光調製器的性能，本發明提出了一種與CMOS工藝兼容的基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器。本發明的目的是為了解決目前基於石墨烯光調製器的調製帶寬相對比較小的技術問題，提出了一種新的光調製器結構，是基於微帶線行波電極結構，該結構可擺脫集總電極中RC特性的限制，可實現超寬帶的調製帶寬，並具有與CMOS工藝兼容、體積小、消光比高、插入損耗低的優點。
本發明所提供的技術方案為：
基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器，所述光調製器波導結構包括：二氧化矽襯底層，二氧化矽襯底層的上表面設有條形矽光波導層；條形矽光波導層的兩側分別設置有第一介電質填充層和第二介電質填充層；在條形矽光波導層的上表面依次設置有第一石墨烯微帶線和第二石墨烯微帶線；條形矽光波導層、第一石墨烯微帶線、第二石墨烯微帶線之間通過絕緣層將彼此隔離；第一石墨烯微帶線的兩端分別向遠離條形矽光波導層的兩側或同側延伸，並分別連接有第一電極和第二電極；第二石墨烯微帶線的其中一端向遠離條形矽光波導層的一側延伸，並連接有第三電極。
進一步的，絕緣層選擇的材料為矽氧化物、矽氮氧化物、硼氮化物之一。
進一步的，絕緣層從下至上依次為第一絕緣層和第二絕緣層，所述的第一絕緣層的厚度為5～12nm，第二絕緣層的厚度為5～90nm。
進一步的，條形矽光波導層的兩側分別設置有第一介電質填充層和第二介電質填充層；且第一介電質填充層和第二介電質填充層均位於二氧化矽襯底層與第一絕緣層之間。
進一步的，所述的第一介電質填充層和第二介電質填充層的材料為矽氧化物、矽氮氧化物、硼氮化物或氫矽倍半氧烷(HSQ:hydrogen silsesquioxane)等材料之一或其組合體。
進一步的，所述的第一石墨烯微帶線、第二石墨烯微帶線的材料是單層石墨烯或少數層石墨烯。
進一步的，第一石墨烯微帶線、第二石墨烯微帶線均呈圓弧帶狀延伸。
進一步的，所述的第一電極、第二電極、第三電極的材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀之一或其組合體。
進一步的，所述的第一電極、第二電極中任意一個作為微波信號的輸入端，另一個作為微波信號的輸出端；所述的第三電極作為接地電極。
本發明的有益效果是：
1、本發明採用了所述的第一電極、第二電極、第三電極、第一石墨烯微帶線、第二石墨烯微帶線共同構成微帶線行波電極結構，第一石墨烯微帶線既作為微波信號的傳輸線，又作為光信號的吸收調控材料，當外加偏置電壓工作在某一個點時，使得石墨烯-矽光波導對光信號有著較強的吸收，而改變外加偏置電壓工作在另外一個點時，使得石墨烯-矽光波導對光信號幾乎不吸收，從而通過調控外加偏置點即可實現光波調製功能，採用此微帶線行波電極結構的光調製器的調製帶寬將不受限於RC常數，調製帶寬可突破200GHz；且傳統的行波電極包括微帶線和共面波導結構，電極製備比較複雜。而本發明行波電極結構製備相對簡單，對於調製器性能有較大提升。
2、本發明光調製器波導是基於SOI晶片，製備工藝上可與傳統的SOI CMOS工藝相兼容，易於集成。
3、本發明光調製器波導具有尺寸小、消光比高、插入損耗小的優點，200μm長度的調製區域可實現22.5dB的消光比，插入損耗只有0.72dB。
附圖說明
圖1為本發明實施例基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器三維結構示意圖，其中第一石墨烯微帶線的兩端分別向遠離條形矽光波導層的兩側延伸出來連接第一電極和第二電極。
圖2為本發明實施例基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器三維結構示意圖，其中第一石墨烯微帶線的兩端分別向遠離條形矽光波導層2的同側延伸出來連接第一電極和第二電極。
圖3為本發明實施例基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器波導橫截面結構示意圖；
圖4為本發明實施例TE模的有效折射率隨著石墨烯化學勢能的變化圖；
圖5為本發明實施例光信號別在本發明光調製器「On」和「Off」狀態下不同有源區長度的歸一化輸出功率曲線圖。
圖中，1-二氧化矽襯底層，2-條形矽光波導層，31-第一介電質填充層，32-第二介電質填充層，41-第一絕緣層，42-第二絕緣層，51-第一石墨烯微帶線，52-第二石墨烯微帶線，61-第一電極，62-第二電極，63-第三電極。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本發明的技術方案，但本發明所保護的內容不局限於以下所述。
基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器，如圖1和圖2所示，包括二氧化矽襯底層1，二氧化矽襯底層1的上表面設有條形矽光波導層2；條形矽光波導層2的兩側分別設置有第一介電質填充層31和第二介電質填充層32；在條形矽光波導層2的上表面依次設置有第一石墨烯微帶線51和第二石墨烯微帶線52；條形矽光波導層2、第一石墨烯微帶線51、第二石墨烯微帶線52之間依次被第一絕緣層41、第二絕緣層42將彼此隔離；條形矽光波導層2的兩側分別設置有第一介電質填充層31和第二介電質填充層32；且第一介電質填充層31和第二介電質填充層32均位於二氧化矽襯底層1與第一絕緣層41之間；第一石墨烯微帶線51的兩端分別向遠離條形矽光波導層2的兩側或同側延伸出來連接第一電極61和第二電極62；第二石墨烯微帶線52的其中一端向遠離條形矽光波導層2的一側延伸出來連接第三電極63。
進一步的，所述的第一絕緣層41、第二絕緣層42為絕緣材料構成，本發明選用的是矽氧化物、矽氮氧化物、硼氮化物等材料之一。
進一步的，所述的第一絕緣層41的厚度為5～12nm，第二絕緣層42的厚度為5～90nm。
進一步的，所述的第一介電質填充層31和第二介電質填充層32的材料可以是矽氧化物、矽氮氧化物、硼氮化物或氫矽倍半氧烷(HSQ:hydrogen silsesquioxane)等材料之一或其組合體。
進一步的，所述的第一石墨烯微帶線51、第二石墨烯微帶線52的材料是單層石墨烯或少數層石墨烯，少數層的層數選擇為2～4層，2～4層的石墨烯材料與單層石墨烯的光學性質差不多，一般認為超過10層，被認為不再是石墨烯材料，而是石墨，其光學性能也是不一樣的。
進一步的，所述的第一電極61、第二電極62、第三電極63的材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀之一或其組合體。
進一步的，所述的第一電極61、第二電極62中任意一個作為微波信號的輸入端，另一個作為微波信號的輸出端；所述的第三電極63作為接地電極；所述的第一電極61、第二電極62、第三電極63、第一石墨烯微帶線51、第二石墨烯微帶線52共同構成微帶線行波電極結構。
本發明的光調製器工作原理為：器件工作時，偏置電壓通過電極作用在第一石墨烯微帶線51和第二石墨烯微帶線52的石墨烯層上，通過改變偏置電壓，動態的改變石墨烯的介電常數，從而影響波導的有效折射率實部和虛部值變化。有效折射率實部對應著光場的相位變化，而其虛部對應著光場的衰減。第一石墨烯微帶線51既作為微波信號的傳輸線，又作為光信號的吸收調控材料，當外加偏置電壓工作在某一個點時，使得石墨烯-矽光波導對光信號有著較強的吸收，而改變外加偏置電壓工作在另外一個點時，使得石墨烯-矽光波導對光信號幾乎不吸收，從而通過調控外加偏置點即可實現光波調製功能。由於採用了微帶線行波電極結構，其調製帶寬不再受限於RC常數的限制，其調製帶寬可由如下公式估算:
其中c為真空中的光速度，L為調製區域有源區的長度，nm為微波在波導中的有效折射率，n0為光波在波導中的有效折射率。波導中石墨烯與光的相互作用比較強烈，通常只需要小於500μm的長度即可實現較高的消光比。第一石墨烯微帶線51、第二石墨烯微帶線52向條形矽光波導層2外延伸出來的部分，是呈圓弧帶狀延伸出來，可降低微波損耗。另外使得行波電極對微波阻抗匹配、微波有效折射率nm與光波有效折射率n0之差儘可能小，即可實現超寬帶的調製帶寬。在工藝實現方面，本發明是基於SOI工藝，與傳統的CMOS工藝兼容，易於集成。
下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案：本實施例基於石墨烯的微帶線行波吸收型光調製器的三維結構示意圖如圖1和圖2所示，其波導橫截面結構示意圖如圖3所示。採用波長為1.55μm的光波，條形矽光波導層2的高度和寬度分別為220nm和500nm，第一介電質填充層31、第二介電質填充層為SiO2材料，第一絕緣層41、第二絕緣層42分別為為5nm厚和20nm厚的hBN材料(六方氮化硼)，第一石墨烯微帶線51、第二石墨烯微帶線52的材料是單層石墨烯，第一電極61、第二電極62、第三電極63的材質均為在鈀金屬上鍍上金作為接觸電極(或者採用金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀之一或其他組合體)，第一石墨烯微帶線51、第二石墨烯微帶線52向條形矽光波導層2外延伸出來的部分，是呈圓弧帶狀延伸出來，是為了降低微波損耗。
圖4是本發明實施例TE模的有效折射率隨著石墨烯化學勢能的變化圖。本實施例波導結構只支持TE基模傳輸，當石墨烯化學勢能在0～0.4eV時，TE模有效折射率虛部值比較大，在石墨烯化學勢能在0.5～1eV時，TE模有效折射率虛部值比較小，分別選取石墨烯化學勢能在0eV和0.7eV作為「Off」和「On」狀態，光信號通過該光調製器時的歸一化輸出功率變化曲線如圖5所示。當覆蓋在矽光波導的石墨烯覆蓋長度為200μm時，該光調製結構可實現22.2dB的消光比，而插入損耗只有0.72dB。
從式(1)可知，當L＝250μm,f3dB＝5.344*10^11/|nm-n0|,即使微波與光波之間的有效折射率差值為2，該光調製器的3dB調製帶寬可高達267.2GHz。而微波與光波之間的有效折射率差值可根據絕緣層材料的選取而進一步縮小，實現微波信號與光波信號的速度匹配，所以可以實現更高的調製帶寬。
以上內容是結合優選技術方案對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定發明的具體實施僅限於這些說明。對本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的構思前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為在本發明的保護範圍內。