一種基于石墨烯的定向耦合器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于石墨烯的定向耦合器，屬于光電子【技術領域】，其包括第一載條波導、第二載條波導、絕緣層、半導體襯底層，絕緣層位于半導體襯底層的上表面，所述第一載條波導與第二載條波導相互平行且都位于共同的絕緣層上，第一載條波導與第二載條波導之間從左到右依次填充有第一介質層、石墨烯介質層和第二介質層；所述石墨烯介質層至少由三層相互平行的石墨烯層構成。本發明具有高度對稱性，兩波導之間具有高度的相位匹配，所以在合理的波導長度下，輸出端可以達到很高的消光比；因此利用此性質制作的光強度調制器及光開關等器件具有高速，寬帶，低功耗，體積小的特點。
【專利說明】—種基于石墨烯的定向耦合器

【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子【技術領域】，具體涉及一種高速、寬帶、低功耗的新型基于石墨烯的定向I禹合器。

【背景技術】
[0002]定向耦合器是集成光學中的一種常見結構。其原理是當兩高折射率波導相距很近的時候，因為倏逝波的作用，會發生兩波導之間的功率交換，從量子力學角度來說，可以將波導間的低折射率介質視為勢壘，兩波導的功率交換即為一種光子隧穿效應。定向耦合器具有方向性的功率分配器，它能從主傳輸系統的正向波中按一定比例分出部分功率，并基本上不從反向波中分出功率。因此利用定向耦合器可以對主傳輸系統中的入射波和反射波分別進行取樣。因而定向耦合器結構被廣泛應用在波導間耦合、濾波、偏振選擇、調制、光開關以及激光器等方面。
[0003]定向耦合器的工作原理圖，如圖1所示，定向耦合器可等效為四端口網絡，包括兩個主線端口:射頻信號輸入端與射頻信號輸出端，兩個副線端口:射頻信號耦合端與射頻信號隔離端。兩線間通過電容耦合，當功率由端口射頻信號輸入端輸入時，一部分功率從直通射頻信號輸出端輸出；還有一部分功率耦合到副線中，利用各分波的場矢量疊加，使射頻信號耦合端形成耦合端口，而射頻信號隔離端場矢量反向抵消形成隔離端口。通過合理選擇耦合結構及耦合尺寸可使定向耦合器的耦合度、隔離度、輸入駐波比、頻帶寬度等技術指標達到所需要求。耦合度是指為輸入端的輸入功率與耦合端的輸出功率之比，通過合理選擇耦合結構及耦合尺寸可使定向耦合器的耦合度、隔離度、輸入駐波比、頻帶寬度等技術指標達到所需要求。耦合度是指為輸入端的輸入功率與耦合端的輸出功率之比；而隔離度是指輸入端的輸入功率與隔離端的輸出功率之比；方向性是指耦合端的輸出功率與隔離端的輸出功率之比；輸入駐波比是指其余三端口均接匹配負載時輸入端口的駐波比，頻帶寬度是指耦合度、隔離度、輸入駐波比均滿足要求時的定向耦合器的工作頻帶寬度。
[0004]石墨烯是近年來得到廣泛關注的一種新型二維六方碳納米材料，它的一些性質在光電子器件上有著很大的應用前景。其特有的零帶隙結構，可以影響很寬的波段的光，有著優良的寬帶特性，并且石墨烯在室溫下具有大約200，OOOcmVVs的電子遷移率，是硅的100倍以上，目前已知的電子遷移率最高的材料。同時，在偏置電壓的作用下，石墨烯的光導率會有顯著的改變，因此可以有效利用在調制器，激光器等光電子器件上。
[0005]關于石墨烯在定向耦合器中的應用也已有研究。在定向耦合器兩平行波導之間插入的石墨烯層，可以有效地干擾其間的功率耦合過程，使耦合系數發生變化，從而影響光功率的率禹合長度。(見文獻 Andrea Locatelli, Anton1-Daniele Capobianco, GianfrancoNalesso， Stefano Boscolo， MicheleMidr1c, Costantino De Angelis， Graphene-basedelectro-optical control of the beat length of dielectric couplers， OpticsCommunicat1ns 318 (2014) 175 - 179)。利用這種性質，在石墨烯層上加載電極調諧其光導率，即可對定向耦合器的耦合長度進行調制，從而可以制作包括光調制器，光開關在內的一系列光器件。采用此結構的光器件，具有高速，寬帶，低功耗，體積小的特點，并可以與CMOS工藝相兼容，有著廣泛的應用潛力。


【發明內容】

[0006]針對上述現有技術，本發明的目的在于如何提供一種具有高速、寬帶寬、低功耗的并可以與CMOS工藝相兼容的新型基于石墨烯的定向耦合器。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:
一種基于石墨烯的定向稱合器，包括第一載條波導、第二載條波導、絕緣層、半導體襯底層，絕緣層位于半導體襯底層的上表面，其特征在于，所述第一載條波導與第二載條波導相互平行且都位于共同的絕緣層上，第一載條波導與第二載條波導之間從左到右依次填充有第一介質層、石墨烯介質層和第二介質層；所述石墨烯介質層至少由三層相互平行的石墨烯層構成，所述石墨烯層全部或者部分重疊。
[0008]在本發明中，所述石墨烯介質層主要由第一石墨烯層、第一隔離層、第二石墨烯層、第二隔離層和第三石墨烯層構成，第一石墨烯層與第二石墨烯層被第一隔離層隔離分開，第二石墨烯層和第三石墨烯層被第二隔離層隔離分開。
[0009]在本發明中，石墨烯介質層垂直嵌入第一介質層和第二介質層間。
[0010]在本發明中，石墨烯的介質層位于兩段平行波導間隔的中心位置，即到第一載條波導的右側平面及第二載條波導的左側平面的距離相等。
[0011 ] 在本發明中，所述第一石墨烯層和第三石墨烯層能從石墨烯介質層上表面延伸出來，連接電極。
[0012]在本發明中，半導體襯底層、第一載條波導、第二載條波導材料為硅、鍺、鍺硅合金、II1-V族半導體或I1-1V族半導體。
[0013]在本發明中，所述絕緣層、第一介質層、第二介質層以及在石墨烯介質層中的第一隔離層、第二隔離層均為半導體氧化物構成，其折射率顯著小于第一載條波導、第二載條波導以及半導體襯底層的折射率。
[0014]在本發明中，所述半導體氧化物為硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
[0015]本發明的工作原理為:
器件工作時，偏置電壓施加在垂直嵌入兩波導之間的石墨烯層上，通過改變石墨烯上的偏置電壓，動態的改變其光導率，從而使石墨烯層的折射率和吸收率隨之發生變化。定向耦合器的功率耦合是基于光子隧穿效應這一物理現象的，在兩平行波導之間加入了折射率可隨偏置電壓變化的石墨烯層，就使光子隧穿效應中的勢壘高度變的可調諧，耦合長度也隨之發生改變。由此，定向耦合器其中一個輸出端的輸出光功率可以在偏置電壓的調制下，產生從低到高的變化，而另一個輸出端的輸出光功率，則有從高到低的相反的變化。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明具有高度對稱性，兩波導之間具有高度的相位匹配，所以在合理的波導長度下，輸出端可以達到很高的消光比；因此利用此性質制作的光強度調制器及光開關等器件具有高速，寬帶，低功耗，體積小的特點，并可以與CMOS工藝相兼容，因而有著廣泛的應用潛力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現有定向耦合器的工作原理圖；
圖2是本發明提供的基于石墨烯的定向耦合器的有源區示意圖；
圖3是本發明提供的基于石墨烯的定向耦合器的波導橫截面示意圖；
圖4是本發明實施例中的對稱模及不對稱模模場分布示意圖；
圖5是本發明實施例中的對稱模及不對稱模傳播常數、波導耦合長度隨偏置電壓變化的不意圖；
圖6是本發明實施例中波導結構俯視的功率分布圖；
附圖標記為:11為第一載條波導、12為第一介質層、13為石墨烯介質層、131為第一石墨烯層、132為第一隔離層、133為第二石墨烯層、134為第二隔離層、135為第三石墨烯層、14為第二介質層、15為第二載條波導、16為絕緣層、17為半導體襯底層。

【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。
[0019]—種基于石墨烯的定向稱合器，包括第一載條波導11、第二載條波導15、絕緣層16、半導體襯底層17，絕緣層16位于半導體襯底層17的上表面，所述第一載條波導11與第二載條波導15相互平行且都位于共同的絕緣層16上，第一載條波導11與第二載條波導15之間從左到右依次填充有第一介質層12、石墨烯介質層13和第二介質層14 ;所述石墨烯介質層13至少由三層相互平行的石墨烯層構成，所述石墨烯層全部或者部分重疊；所述石墨烯介質層13主要由第一石墨烯層131、第一隔離層、第二石墨烯層133、第二隔離層134和第三石墨烯層135構成，第一石墨烯層131與第二石墨烯層133被第一隔離層132隔離分開，第二石墨烯層133和第三石墨烯層135被第二隔離層134隔離分開。
實施例
[0020]如圖2、圖3所不,本實施例米用波長為1.55 μ m的光波,半導體襯底層17,第一載條波導和第二載條波導由硅(Si)材料構成(折射率3.47);第一、第二載條波導寬度均為
0.4 μ m,厚度均為0.24 μ m ;絕緣層16,第一介質層和第二介質層,第一隔離層和第二隔離層由二氧化硅(Si02)構成(折射率1.44);第一載條波導右側平面與第二載條波導左側平面間距，即第一介質層、第二介質層、石墨烯介質層的總寬度為0.1 μ m，其中石墨烯層厚度
0.7nm,相鄰兩石墨烯間距7nm。第一載條波導、第二載條波導之間的第一介質層、為石墨烯介質層、第二介質層與載條波導等高；石墨烯介質層垂直嵌入在兩平行波導側平面之間的中間位置，且其中包括的石墨烯層亦沿兩平行波導側平面中心位置對稱，石墨烯層即放置在此中心位置。第一石墨烯層、第三石墨烯層從上方延伸出去連接電極。
[0021]圖4是本發明實施例中，采用COMSOL Multiphysics軟件模擬仿真得到的定向稱合波導中TE模的對稱模(even supermode)及不對稱模(odd supermode)在偏置電壓為
0.4eV下的模場分布圖。
[0022]圖5是本發明實施例中，定向I禹合波導中TE模的對稱模(even supermode)及不對稱模(odd supermode)的傳播常數，以及定向耦合波導的耦合長度隨偏置電壓變化的示意圖。對稱模(even supermode)、不對稱模(odd supermode)及稱合長度之間應服從關系:L = 31 / ( β even-β odd)。可以看到，在偏置電壓0.5eV到0.53eV范圍內，耦合長度有著最大的變化，因此將工作電壓控制在0.5eV到0.53eV之間。
[0023]圖6是本發明實施例1中，利用有效折射率的方法得到的定向耦合波導俯視的功率分布不意圖，表明了本實施例中的功率稱合情況。圖中所不的稱合長度為6 μ m。結合圖
4、圖5，以上端口為輸入端口、輸出端口的情況下，以0.5eV為“關”狀態，0.53eV為“開”狀態，波導長度為70.68 μ m下，消光比達到24dB。
[0024]以上內容僅為結合具體方案對本發明進行的一些詳細說明，不能認定發明的具體實施只限于這些說明。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范圍內。
【權利要求】
1.一種基于石墨烯的定向稱合器，包括第一載條波導(11)、第二載條波導(15)、絕緣層(16)、半導體襯底層(17)，絕緣層(16)位于半導體襯底層(17)的上表面，其特征在于，所述第一載條波導(11)與第二載條波導(15)相互平行且都位于共同的絕緣層(16)上，第一載條波導(11)與第二載條波導(15)之間從左到右依次填充有第一介質層(12)、石墨烯介質層(13)和第二介質層(14);所述石墨烯介質層(13)至少由三層相互平行的石墨烯層構成，所述石墨烯層全部或者部分重疊。
2.根據權利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述石墨烯介質層(13)主要由第一石墨烯層(131)、第一隔離層、第二石墨烯層(133)、第二隔離層(134)和第三石墨烯層(135)構成，第一石墨烯層(131)與第二石墨烯層(133)被第一隔離層(132)隔離分開，第二石墨烯層和第三石墨烯層(135)被第二隔離層(134)隔離分開。
3.根據權利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，石墨烯介質層(13)垂直嵌入第一介質層(12)和第二介質層(14)間。
4.根據權利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，石墨烯的介質層(13)位于兩段平行波導間隔的中心位置，即到第一載條波導(11)的右側平面及第二載條波導(15)的左側平面的距離相等。
5.根據權利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述第一石墨烯層(131)和第三石墨烯層(135)從石墨烯介質層上表面延伸出來連接電極。
6.據權利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，半導體襯底層(17)、第一載條波導(11)、第二載條波導(15)材料為硅、鍺、鍺硅合金、II1-V族半導體或I1-1V族半導體。
7.據權利要求1所述的一種基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述絕緣層(16)、第一介質層(12)、第二介質層(14)以及在石墨烯介質層(13)中的第一隔離層(132)、第二隔離層(134)均為半導體氧化物構成，其折射率顯著小于第一載條波導(11 )、第二載條波導(15)以及半導體襯底層(17)的折射率。
8.據權利要求7所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述半導體氧化物為硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
【文檔編號】H01P5/18GK104078739SQ201410363980
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】劉永, 王子帥, 葉勝威, 陳冬松, 閆世森, 艾元, 陸榮國 申請人:電子科技大學