石墨烯中紅外可調諧波導光柵的製作方法

2023-05-27 18:20:27

本發明屬於屬於光電子器件技術領域，尤其涉及一種石墨烯中紅外可調諧波導光柵。

背景技術：

光柵是指空間結構或光學參量(如折射率)分布具有周期性變化的衍射系統，可以對光進行反射、折射、幹涉和衍射，在對光信號的調控中起到重要作用，光纖通信中，光柵在半導體雷射器、波導輸入輸出耦合器、分束器、偏振分離器、濾波器、光上下路濾波器和傳感等方面均有重要的應用。

傳統的光柵是在光柵表面通過光刻形成刻槽，光柵製作成功後其結構和周期保持不變，由於光柵的諧振波長只與光柵的周期和有效折射率相關，所以傳統的永久性光柵只能對某一固定的諧振波長附近極小範圍內的光進行作用，在光通信波分復用等系統中只能利用少量的信道，降低了通信數據的傳輸能力。為了滿足高速寬帶通信的發展需求，諧振波長可調諧光柵的研究成為必然趨勢。

目前，大多數波長可調諧光柵都是利用矽的熱光效應和載流子色散效應，但是矽的熱光效應使得光信號的響應速度慢，載流子色散效應較弱使得光柵的諧振波長改變較小，以及矽的折射率變化會對光產生較大的損耗等不足，使得直接利用矽的熱光效應和載流子色散效應而製成的可調諧光柵器件性能不佳。由於石墨烯的折射率可通過外加電場來調控，且石墨烯的響應速度足夠快，因此可利用石墨烯的這一特性來製作快速波長可調諧的光柵，通過改變石墨烯的折射率來改變光柵的有效折射率，從而使光柵的諧振波長發生改變，增大光柵的可調諧波長帶寬。

中紅外波段(2-20mm)是太陽光轄射光中一個重要的波段，其在各個科技領域有著十分重要的應用,包括傳感、環境監測、生物醫學應用、熱成像、軍事應用等等。雖然中紅外光在各個領域都有巨大的應用潛力，然而集成光子學在中紅外波段進展卻非常緩慢，多年來一直面臨著巨大的困難和挑戰，遠遠不及近紅外通信波段的研究發展。

硫系玻璃是指以S，Se，Te為主並引入一定量的其它類金屬元素所形成的玻璃，它具有優良的透中紅外和極佳的消熱差性能(見文獻Li L,Zou Y,Musgraves J D,et al.Chalcogenide glass planar photonics:from mid-IR sensing to 3-D flexible substrate integration[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2013,8600(4):86000K-86000K-6)。傳統的集成光學材料，在中紅外領域應用時受到限制，而硫系玻璃可以克服這方面的限制。硫系玻璃具有較長的透紅外截止波長，可覆蓋3個大氣窗口。此外，硫系玻璃作為非晶態的材料，不需要嚴格的晶格匹配，可以與任何襯底材料集成。這是其在集成光學領域有非常廣的應用範圍。

技術實現要素：

本發明為了解決現有技術中存在的光柵可調諧波長範圍窄，響應速度慢等問題，而提出的一種基於硫系玻璃光波導—石墨烯的可調諧中紅外波導光柵，使同一結構的波導光柵在不同的電場條件下，對光波具有不同的選擇性，改變光柵的反射波長。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：

一種基於硫系玻璃光波導—石墨烯的可調諧波導光柵，包括襯底，所述襯底上設置有硫系玻璃脊形光波導，硫系玻璃脊形光波導包括脊區下半部分波導和脊區上半部分矩形波導，脊區下半部分波導覆蓋有包層，脊區下半部分波導上從下至上依次設置有第一隔離介質層、第一石墨烯層、第三隔離介質層、第二石墨烯層、第五隔離介質層，脊區上半部分矩形波導設置於第五隔離介質層上；第一石墨烯層與第二石墨烯層均為叉指電極結構，並通過電極引出，叉指電極結構的叉指等間距周期設置。

上述技術方案中，所述第一石墨烯層和第二石墨烯層的為單層石墨烯。

上述技術方案中，叉指電極結構設有叉指，叉指沿波導光傳輸方向周期分布。

上述技術方案中，硫系玻璃脊形光波導由除氧外的第VI族元素作為陰離子的其他金屬和非金屬元素的化合物玻璃製成。

上述技術方案中，硫系玻璃脊形光波導由As2Se3、As2S3或Ge23Sb7S70製成。

上述技術方案中，所述第一隔離介質層、第三隔離介質層、第五隔離介質層均為絕緣層。

上述技術方案中，所述絕緣層為矽氧化物、矽氮氧化物或硼氮化物。

上述技術方案中，所述電極的材料為金、銀、鉑或銅。

上述技術方案中，第一隔離介質層和第三隔離介質層之間還設有第二隔離介質層，第二隔離介質層與第一石墨烯層並排設置於同一層。

上述技術方案中，第三隔離介質層和第五隔離介質層之間還設有第四隔離介質層，第四隔離介質層與第二石墨烯層並排設置於同一層。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、石墨烯的使用使得本發明具有可調諧波長範圍寬，對光信號響應速度快，硫系玻璃材料的使用使得本發明便於降低中紅外光的傳輸損耗，結合上述結構設置，使得本發明可調諧中紅外波導光柵將具有可調諧波長範圍寬、響應速度快等優勢，相對於傳統的永久性光柵，具有光柵諧振波長可調諧的特點。

2、由於石墨烯的折射率電控可調和響應速度快等特點，相對於直接利用熱光效應製作的波導光柵，具有響應速度快，可調諧波長範圍寬的優勢。

3、覆蓋在第一電極和第二電極芯層脊型脊區中第一石墨烯層和第二石墨烯層，通過在電極(第一電極和第二電極)上外加電場，使得石墨烯的折射率隨外加電場的變化而變化，從而在整個波導中，使周期性覆蓋有石墨烯的波導部分(指石墨烯叉指電極投影在波導上的那部分波導)的有效折射率也隨電場的改變而改變，沒有石墨烯覆蓋的部分波導的折射率保持不變，因此在波導中沿光傳輸的方向上，使得波導的有效折射率隨外加電場的變化呈周期性變化，形成波導光柵，而波導光柵的諧振波長只與波導光柵的周期和有效折射率有關，在不改變波導光柵結構和周期的前提下，該波導光柵的諧振波長隨著外加在石墨烯上電場的變化而改變，從而形成可調諧波導光柵。

附圖說明

圖1是本發明的石墨烯中紅外可調諧波導光柵的結構示意圖；

圖2是本發明的石墨烯中紅外可調諧波導光柵的截面示意圖；

圖3是本發明的石墨烯中紅外可調諧波導光柵結構中石墨烯層示意圖；

圖4是本發明的石墨烯中紅外可調諧波導光柵的石墨烯層俯視示意圖。

圖中標記：1-襯底，2-脊區下半部分波導，3-包層，5-第一隔離介質層，6-第一石墨烯層，7-第二隔離介質層，8-第三隔離介質層，9-第二石墨烯層，10-第四隔離介質層，11-第五隔離介質層，12-電極，14-脊區上半部分矩形波導，15-叉指。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的描述，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，並不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的其他所用實施例，都屬於本發明的保護範圍。

結合附圖1～圖4，本發明的石墨烯中紅外可調諧波導光柵，包括襯底1，所述襯底上為硫系玻璃光波導，硫系玻璃脊形光波導包含芯層和覆蓋在芯層外圍的包層3。

所述芯層為脊形光波導，所述脊形光波導分為脊區下半部分波導2和脊區上半部分矩形波導14，所述脊區下半部分波導2和脊區上半部分波導14之間有隔離層和石墨烯層，脊區下半部分波導上方從下至上依次覆蓋有第一隔離介質層5、第一石墨烯層6、第三隔離介質層8、第二石墨烯層9和第五隔離介質層11。第一隔離介質層5和第三隔離介質層8之間還設有第二隔離介質層7，第二隔離介質層7與第一石墨烯層6並排設置於同一層；第三隔離介質層8和第五隔離介質層11之間還設有第四隔離介質層10，第四隔離介質層10與第二石墨烯層9並排設置於同一層。

所述第一石墨烯層和第二石墨烯層分別從兩側延伸出來並連接有電極12(包括第一電極和第二電極)。

所述的光波導芯層為脊形波導，芯層材料為硫系玻璃材料。

所述硫系玻璃材料是除氧外的第VI族元素作為陰離子的其他金屬和非金屬元素的化合物玻璃，可以是As2Se3、As2S3、Ge23Sb7S70等材料。

所述第一石墨烯層和第二石墨烯層的材料為單層石墨烯。

所述單層石墨烯，沿波導光傳輸方向周期分布在脊形光波導的脊區中間。

所述襯底層和包層材料為低折射率的二氧化矽。

所述第一隔離介質層5、第二隔離介質層7、第三隔離介質層8、第四隔離介質層10和第五隔離介質層11的材料為絕緣材料；所述絕緣材料為矽氧化物、矽氮氧化物或硼氮化物。

所述第一電極和第二電極的材料為金、銀、鉑或銅。

石墨烯是由碳原子構成的二維新材料，是典型的零帶隙的半導體，通過sp2雜化形成平面六元環結構，π電子在同一平面上形成離域大π鍵。這種獨特的結構使石墨烯具有獨一無二的性質，作為世界上最薄的納米材料，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，導熱係數達到5300w/m.K，比金剛石和碳納米管更高，室溫下電子遷移率達到光速的1/300，電阻率只有10-6Ω·㎝，比銅和銀電阻率更低，是世界上電阻率最小的材料，卻有超高的力學性能，達到1060GPa，被證明為當代最牢固的材料，同時，在石墨烯上外加一個電場，可以改變其折射率的實部和虛部，因此可將石墨烯運用到硫系玻璃光器件中，製成性能穩定、快速響應和對寬帶光進行作用的硫系玻璃光器件。

硫系玻璃是以S,Se,Te中的一種或幾種元素為玻璃組分並與其他電負性較弱的元素(如As,Sb,Ge和Si等)形成共價鍵的無機玻璃。硫系玻璃具有較寬的透射光譜,其透過範圍覆蓋了近紅外通信波段，寬的光譜範圍使硫系玻璃光波導可應用於光通信領域。

本發明的石墨烯中紅外可調諧波導光柵的工作原理為：脊形光波導層的材料為硫系玻璃材料,對1.55～3um波段光譜有比較低的波導損耗，石墨烯材料是一種寬光譜的吸收材料，其光學響應的特性可以通過控制兩端電壓來改變。具體實現過程為，覆蓋在光波導芯層脊型脊區中第一石墨烯層6和第二石墨烯層9，通過在電極12上外加電場，使得石墨烯的折射率隨外加電場的變化而變化，從而在整個波導中，使周期性覆蓋有石墨烯的波導部分的有效折射率也隨電場的改變而改變，沒有石墨烯覆蓋的部分波導的折射率保持不變，因此在波導中沿光傳輸的方向上，使得波導的有效折射率隨外加電場的變化呈周期性變化，形成波導光柵，而波導光柵的諧振波長只與波導光柵的周期和有效折射率有關，在不改變波導光柵結構和周期的前提下，該波導光柵的諧振波長隨著外加在石墨烯上電場的變化而改變，從而形成可調諧波導光柵。

結合附圖1和附圖2，本實施例硫系玻璃光波導光柵的襯底1的材料是二氧化矽，在二氧化矽襯底上設置芯層脊型波導的脊區寬度為0.6μm，脊高為0.25μm，在脊區下半部分波導2上鋪設有5nm厚的第一隔離介質層5，材料為六方氮化硼(hBN)，所述第一石墨烯層6和第二石墨烯層9均為單層石墨烯，分別鋪設在第一隔離介質層5和第三隔離介質層8上，所述第二隔離介質層、第三隔離介質層、第四隔離介質層、第五隔離介質層均為厚度為5nm的六方氮化硼(hBN)，所述第一石墨烯層6和第二石墨烯層9分別從兩側延伸出來連接第一電極和第二電極。

石墨烯的使用使得本發明具有可調諧波長範圍寬，對光信號響應速度快，硫系玻璃材料的使用使得本發明便於降低中紅外光的傳輸損耗，因此用石墨烯和硫系玻璃材料製作的石墨烯硫系玻璃可調諧中紅外波導光柵將具有可調諧波長範圍寬、響應速度快等優勢。