本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

電光調(diào)制器作為一種重要的調(diào)制器在通信領(lǐng)域中應(yīng)用十分地廣泛，傳統(tǒng)的電光調(diào)制器主要包括無機(jī)物調(diào)制器、三五族半導(dǎo)體調(diào)制器和聚合物調(diào)制器，它們各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

石墨烯是一種由碳原子以蜂巢形狀排列的單層的材料。自從石墨烯制備成功以來便受到極大的關(guān)注。由于石墨烯具有很多常規(guī)材料難以企及的物理化學(xué)特性，如石墨烯具有超寬的吸收光譜，具有目前最高的載流子遷移率，這使得石墨烯成為電光調(diào)制器的理想材料。目前有很多基于石墨烯的電光調(diào)制器的研究，這些研究通常利用石墨烯在不同偏壓下具有不同的光學(xué)參數(shù)，從而利用石墨烯光學(xué)參數(shù)的改變達(dá)到改變光場的效果。例如，第一個(gè)基于石墨烯的調(diào)制器的報(bào)道便是利用石墨烯與硅基波導(dǎo)倏逝場相互作用實(shí)現(xiàn)的。顯然，如何增強(qiáng)石墨烯與光場的相互作用制約著石墨烯調(diào)制器的關(guān)鍵性能。為增強(qiáng)石墨烯與光場的相互作用，有的文獻(xiàn)采用雙層石墨烯，有的文獻(xiàn)將石墨烯放置在波導(dǎo)場強(qiáng)最強(qiáng)的地方，有的采用高Q環(huán)形腔。但這些調(diào)制器的往往存在調(diào)制速率低、調(diào)制深度小、能耗高以及體積較大的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器，利用雜化波導(dǎo)增強(qiáng)光和石墨烯的相互作用，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器的調(diào)制速率低、調(diào)制深度小、能耗高、體積較大的缺點(diǎn)。

本發(fā)明提供了一種基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器，包括襯底、設(shè)置在所述襯底表面的波導(dǎo)層、以及依次設(shè)置在所述波導(dǎo)層上的第一石墨烯層、電容層、第二石墨烯層和金屬層；

所述第一石墨烯層與所述波導(dǎo)層之間通過第一低折射率介質(zhì)層隔離，所述第二石墨烯層與所述金屬層之間通過第二低折射率介質(zhì)層隔離，所述波導(dǎo)層、所述第一石墨烯層、所述電容層、所述第二石墨烯層和所述金屬層在垂直于所述襯底方向上重疊；所述波導(dǎo)層材質(zhì)包括高折射率介質(zhì)或貴金屬，所述高折射率介質(zhì)的折射率高于第一低折射率介質(zhì)和第二低折射率介質(zhì)；所述金屬層的材質(zhì)包括貴金屬；

所述石墨烯電光調(diào)制器還包括平行于所述襯底且互相垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向與光傳輸方向平行；在所述第二方向上，所述第一石墨烯層和所述第二石墨烯層包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一石墨烯層的延伸端上設(shè)有第一電極，所述第二石墨烯層的延伸端上設(shè)有第二電極。

優(yōu)選地，所述第一低折射率介質(zhì)層設(shè)置于所述襯底的表面且覆蓋所述波導(dǎo)層；所述金屬層嵌入第二低折射率介質(zhì)層內(nèi)，且所述第二金屬層的上表面與所述第二低折射率層的上表面齊平；所述第一石墨烯層和所述第二石墨烯層的部分表面與所述電容層接觸，其余的表面與所述第一低折射率介質(zhì)層和/或所述第二低折射率介質(zhì)層接觸。

優(yōu)選地，所述金屬層的厚度為50nm-200nm，所述金屬層在所述第二方向上的寬度為100nm-500nm。

優(yōu)選地，所述波導(dǎo)層的厚度為50nm-200nm，所述波導(dǎo)層在所述第二方向上的寬度為100nm-500nm。

優(yōu)選地，所述金屬層和所述波導(dǎo)層之間的垂直距離為20nm-100nm。

優(yōu)選地，當(dāng)所述波導(dǎo)層的材質(zhì)包括貴金屬時(shí)，所述波導(dǎo)層與所述金屬層對(duì)稱設(shè)置。

優(yōu)選地，所述第一石墨烯層與所述第二石墨烯層的重疊寬度與所述金屬層的寬度相同。

優(yōu)選地，所述第一低折射率介質(zhì)的折射率為1.0-2.2，所述第二低折射率介質(zhì)的折射率為1.0-2.2，所述高折射率介質(zhì)的折射率為2.3-10。

優(yōu)選地，所述電容層的材質(zhì)為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

優(yōu)選地，所述基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器在所述第一方向上的長度為500nm-5μm。

本發(fā)明提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器具有極高的調(diào)制深度、可以實(shí)現(xiàn)超快的調(diào)制帶寬，能耗較低，同時(shí)電光調(diào)制器的體積較小，能夠滿足光互聯(lián)、光集成的要求，該電光調(diào)制器的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠很好的與其他器件進(jìn)行集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器立體圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器的側(cè)面圖；

圖3為實(shí)施例1中基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器在不同化學(xué)勢時(shí)的折射率；

圖4為實(shí)施例1中基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器在不同化學(xué)勢時(shí)的損耗變化圖。

具體實(shí)施方式

以下所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

參閱圖1和圖2，圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器立體圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器的側(cè)面圖；本發(fā)明提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器包括襯底1、設(shè)置在襯底1表面的波導(dǎo)層3、以及依次設(shè)置在波導(dǎo)層3上的第一石墨烯層41、電容層5、第二石墨烯層42和金屬層7；

第一石墨烯層41與波導(dǎo)層3之間通過第一低折射率介質(zhì)層21隔離，第二石墨烯層42與金屬層7之間通過第二低折射率介質(zhì)層22隔離，波導(dǎo)層3、第一石墨烯層41、電容層5、第二石墨烯層42和金屬層7在垂直于襯底1方向上重疊(即圖1所示的z方向)；波導(dǎo)層3材質(zhì)包括高折射率介質(zhì)或貴金屬，高折射率介質(zhì)的折射率高于第一低折射率介質(zhì)和第二低折射率介質(zhì)；金屬層7的材質(zhì)包括貴金屬；

石墨烯電光調(diào)制器還包括平行于襯底且互相垂直的第一方向(即圖1所示的y方向，這里不僅包括箭頭的方向，也包括箭頭的反方向)和第二方向(即圖1所示的x方向，這里不僅包括箭頭的方向，也包括箭頭的反方向)，第一方向與光傳輸方向平行；在第二方向上，第一石墨烯層41和第二石墨烯層42包括向相反方向延伸的延伸端，第一石墨烯層41的延伸端上設(shè)有第一電極61，第二石墨烯層42的延伸端上設(shè)有第二電極62。

本發(fā)明中，第一石墨烯層41、電容層5、第二石墨烯層42和金屬層7按照從下到上的順序依次設(shè)置在波導(dǎo)層3上。

本發(fā)明中，襯底為絕緣材料，具體為硅襯底。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層材質(zhì)可以為高折射率介質(zhì)，高折射率介質(zhì)的折射率為2.3-10。

本發(fā)明中，高折射率介質(zhì)為半導(dǎo)體材料，優(yōu)選為硅或三至五族半導(dǎo)體。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層位于襯底上表面的中間位置。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層材質(zhì)還可以包括貴金屬，具體為金、銀或鉑。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層的厚度為50nm-200nm。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層的厚度為100nm-200nm。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層在第二方向上的寬度為100nm-500nm。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層在第二方向上的寬度為150nm-300nm。

本發(fā)明中，第一石墨烯層的厚度為0.3nm-3nm，第二石墨烯層的厚度為0.3nm-3nm。

本發(fā)明中，第一石墨烯層或第二石墨烯層中的石墨烯為單層或多層石墨烯。

本發(fā)明中，多層石墨烯的層數(shù)為2-10層。

本發(fā)明中，在垂直于襯底方向上，第一石墨烯層和第二石墨烯層部分重疊或完全重疊。

本發(fā)明中，第一石墨烯層與第二石墨烯層的重疊寬度與金屬波導(dǎo)層的寬度相同。這樣可以最大化的提高調(diào)制效率。

本發(fā)明中，第一石墨烯層與第二石墨烯層重疊寬度為100nm-500nm。

本發(fā)明中，金屬層和波導(dǎo)層之間的垂直距離為20nm-100nm。

本發(fā)明中，電容層位于金屬層和波導(dǎo)層之間的中間位置，即電容層與金屬層之間的垂直距離等于電容層與波導(dǎo)層之間的垂直距離。

如圖1所示，本發(fā)明中，第一低折射率介質(zhì)層設(shè)置于襯底的表面且覆蓋波導(dǎo)層；金屬層嵌入第二低折射率介質(zhì)層內(nèi)，且第二金屬層的上表面與第二低折射率層的上表面齊平；第一石墨烯層和第二石墨烯層的部分表面與電容層接觸，其余的表面與第一低折射率介質(zhì)層和/或第二低折射率介質(zhì)層接觸。本發(fā)明第一低折射率介質(zhì)層或第二低折射率介質(zhì)層的設(shè)置可以保護(hù)石墨烯，防止石墨烯損壞，同時(shí)將光盡量局域在調(diào)制區(qū)域。

第一石墨烯層和第二石墨烯層的表面除了與電容層接觸外，其余的表面位置與第一低折射率介質(zhì)層和/或第二低折射率介質(zhì)層接觸，如第一石墨烯層的下表面與第一低折射率介質(zhì)層接觸，第一石墨烯層的上表面與第二低折射率介質(zhì)層接觸，第二石墨烯層的上表面與第二低折射率介質(zhì)層接觸，第二石墨烯層的下表面與第一低折射率介質(zhì)層接觸。

本發(fā)明中，第一低折射率介質(zhì)的折射率與第二低折射率介質(zhì)的折射率相同或者第一低折射率介質(zhì)的折射率高于第二低折射率介質(zhì)的折射率。

本發(fā)明中，第一電極的上表面、第二電極的上表面和金屬層的上表面均與第二低折射率層的上表面齊平。

本發(fā)明中，第一低折射率介質(zhì)的折射率為1.0-2.2。

本發(fā)明中，第一低折射率介質(zhì)為電介質(zhì)，具體為二氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁或高分子聚合物。

本發(fā)明中，電容層的寬度小于第一石墨烯層寬度或第二石墨烯層寬度，優(yōu)選地，電容層的寬度與金屬層以及波導(dǎo)層的寬度相同。若第一石墨烯層和第二石墨烯層之間還存在空隙，則采用第一低折射率介質(zhì)和/或第二低折射率介質(zhì)予以填充。

本發(fā)明中，電容層的材質(zhì)可以為二維材料或者具有良好性能的電介質(zhì)，如包括硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

本發(fā)明中，電容層的材質(zhì)具體為六角氮化硼。電容層的材質(zhì)折射率適中、電容大小較為合適，且易于加工。

本發(fā)明中，電容層在第二方向上的寬度為100nm-500nm。

本發(fā)明中，電容層的厚度為3nm-20nm。

本發(fā)明中，第二低折射率介質(zhì)的折射率為1.0-2.2。

本發(fā)明中，第二低折射率介質(zhì)為電介質(zhì)，如可以為二氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁或高分子聚合物。

本發(fā)明中，金屬層嵌入第二低折射率介質(zhì)層內(nèi)，且金屬層的上表面與第二低折射率層的上表面齊平。

本發(fā)明中，金屬層的厚度為50nm-200nm。

本發(fā)明中，金屬層在第二方向上的寬度為100nm-500nm。

本發(fā)明中，當(dāng)波導(dǎo)層的材質(zhì)包括貴金屬時(shí)，波導(dǎo)層與金屬波導(dǎo)層對(duì)稱設(shè)置。即波導(dǎo)層和金屬層的厚度、寬度也相同，為嚴(yán)格對(duì)稱結(jié)構(gòu)，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)場的最強(qiáng)局域，實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)制深度，調(diào)制器性能最佳，但是本發(fā)明為非嚴(yán)格對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，依然具有優(yōu)良性能。

本發(fā)明中，當(dāng)波導(dǎo)層的材質(zhì)包括貴金屬時(shí)，波導(dǎo)層和金屬層在第二方向上的寬度均為100nm-500nm。

本發(fā)明中，當(dāng)波導(dǎo)層的材質(zhì)為高折射率介質(zhì)時(shí)，波導(dǎo)層的寬度大于金屬層的寬度。

本發(fā)明中，金屬層的材質(zhì)包括貴金屬，如為金、銀或鉑。采用這樣的材質(zhì)可以達(dá)到最佳的場局域效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)制效果。

本發(fā)明中，第一電極或第二電極的材質(zhì)為導(dǎo)電性能良好的金屬材料，具體為金、銀、鉑或銅等。這有利于減小石墨烯和金屬間的接觸電阻，以提高調(diào)制器的調(diào)制帶寬。

本發(fā)明中，基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器在第一方向上的長度為500nm-5μm。

本發(fā)明提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器可以采用常規(guī)的技術(shù)進(jìn)行制備，如通過沉積的方法制備石墨烯層，采用磁控濺射的方法制備金屬層、第一電極和第二電極。

本發(fā)明中，波導(dǎo)層、第一和/或第二低折射率層和金屬波導(dǎo)層構(gòu)成一個(gè)三明治波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，石墨烯層位于其中的第一和/或第二低折射率層之中。由于電子在金屬表面的振蕩，將光限制在低折射率材料區(qū)域，形成表面等離子體激元，使得光場的最強(qiáng)部分與石墨烯充分接觸，達(dá)到很好的調(diào)制效果。這個(gè)三明治結(jié)構(gòu)可以極大的增強(qiáng)廣場局域效果，從而顯著增強(qiáng)石墨烯和光場的相互作用。通過外加電場調(diào)控石墨烯化學(xué)勢改變整個(gè)波導(dǎo)有效折射率的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制。

本發(fā)明提供的基于平面雜化波導(dǎo)的石墨烯電光調(diào)制器具有以下有益效果：(1)采用雜化波導(dǎo)的場增強(qiáng)效果，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)極高的調(diào)制深度；(2)由于石墨烯具有超快的載流子遷移速率，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超快的調(diào)制帶寬，可以提高通信系統(tǒng)的效率；(3)本發(fā)明電容層電容比較小，同時(shí)工作的時(shí)候電壓改變量比較小，因此能耗較低；(4)本發(fā)明具有較小的體積，能夠滿足光互聯(lián)、光集成的要求，本發(fā)明電光調(diào)制器具有的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠很好的與其他器件進(jìn)行集成。

實(shí)施例1：

為了表征整個(gè)調(diào)制器光學(xué)參數(shù)的變化，通常會(huì)計(jì)算整個(gè)波導(dǎo)的有效折射率的值。有效折射率實(shí)部表示整個(gè)調(diào)制器對(duì)光場的局域能力，引起光場相位變化，有效折射率的虛部表示調(diào)制器對(duì)光的吸收能力，對(duì)應(yīng)著損耗。如果對(duì)實(shí)部的改變加以利用則可以讓整個(gè)波導(dǎo)變成一個(gè)相位型調(diào)制器，對(duì)虛部加以利用則變成振幅型調(diào)制器。本實(shí)施例主要是利用虛部的振幅型調(diào)制器。

在本實(shí)施例中采用的參數(shù)為：襯底1和波導(dǎo)層3的材料為硅，波導(dǎo)層3的寬度為200nm，厚度為100nm；第一和第二折射率介質(zhì)層2材料為二氧化硅，波導(dǎo)層3與金屬層7之間的距離為20nm。電容層5則采用六角氮化硼，厚度為5nm，寬度為200nm。金屬層7采用金屬銀，厚度100nm，寬度為200nm。第一和第二電極層則采用電阻較小的金，金和石墨烯的接觸電阻參考值為400歐·微米。整個(gè)調(diào)制器的工作長度為3微米。調(diào)控所需要的電壓可以從公式得出：公式中μ_c表示化學(xué)勢，表示歸一化普朗克常數(shù)，vF≈1.1×10⁶m/s表示費(fèi)米速度，ε₀表示真空介電常數(shù)，ε_r表示電容層5相對(duì)介電常數(shù)，V_g表示第一電極61和第二電極62之間的電壓差，V_Dirac表示由于石墨制備過程中摻雜等因素造成的化學(xué)勢所需要的電壓，d表示電容層5的厚度，e表示電子電荷。3-dB調(diào)制深度可由f_3dB＝1/(2πRC)得出，R表示整個(gè)器件的電阻，這里僅僅考慮占主導(dǎo)因素的金-石墨烯層的接觸電阻，C表示器件的電容，這里采用平板電容的模型估算得出的值為3.13fF。利用公式平板電容器改變1bit所需能量的公式E＝1/4CΔV²估算的能耗為7.68fJ/bit。

在這套參數(shù)下，該調(diào)制器可以在1.55微米的波段，實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的有效折射率虛部的大幅度變化，這些變化則對(duì)應(yīng)著調(diào)制器對(duì)光的吸收強(qiáng)弱變化。如圖3所示，其中實(shí)線代表有效折射率的虛部，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在0-0.8電子伏特區(qū)間，大概在0.5電子伏特左右虛部有一個(gè)最大值，這表示在這個(gè)區(qū)間具有較大的損耗。從圖4可以更加直觀的看出來。調(diào)節(jié)化學(xué)勢可以讓整個(gè)波導(dǎo)(長度為1μm)的損耗從0.65dB/μm升高到13.25dB/μm，整個(gè)調(diào)制器(長度為3μm)可以實(shí)現(xiàn)損耗從1.95dB/μm到39.75dB/μm的動(dòng)態(tài)調(diào)控。達(dá)到這種改變所需要的電壓改變量僅需要3.13V。

本調(diào)制器的工作原理是：利用雜化波導(dǎo)的場增強(qiáng)和場局域的特性，將雙層石墨烯置于雜化波導(dǎo)中可以讓石墨烯和光場的相互作用達(dá)到最強(qiáng)。同時(shí)，不同化學(xué)勢的石墨烯具有不同的光學(xué)吸收特性，通過外加電壓的方式調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢，這樣就達(dá)到通過外加電場實(shí)現(xiàn)控制石墨烯與光場相互作用強(qiáng)弱的目的。

實(shí)施例2：

在本實(shí)施例中采用的參數(shù)為：襯底1的材料為硅，波導(dǎo)層3的材料為銀，波導(dǎo)層的寬度為100nm，厚度為200nm；第一和第二折射率介質(zhì)層2材料為二氧化硅，波導(dǎo)層3與金屬層7之間的距離為100nm。電容層5則采用六角氮化硼，寬度為150nm，厚度為20nm。金屬層7采用金屬銀，厚度為200nm，寬度為150nm。金屬層與波導(dǎo)層對(duì)稱設(shè)置，第一和第二電極層則采用電阻較小的金，金和石墨烯的接觸電阻參考值為400歐·微米。整個(gè)調(diào)制器的工作長度為1微米。

實(shí)施例3：

在本實(shí)施例中采用的參數(shù)為：襯底1的材料為硅，波導(dǎo)層3的材料為金，波導(dǎo)層的寬度為500nm，厚度為50nm；第一和第二折射率介質(zhì)層2材料為二氧化硅，波導(dǎo)層3與金屬層7之間的距離為50nm。電容層5則采用六角氮化硼，寬度固定在100nm，厚度固定在3nm。金屬層7采用金屬金，厚度為50nm，寬度為100nm。金屬層與波導(dǎo)層對(duì)稱設(shè)置，第一和第二電極層則采用電阻較小的金，金和石墨烯的接觸電阻參考值為400歐·微米。整個(gè)調(diào)制器的工作長度為3微米。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。