基于石墨烯的新型電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】基于石墨烯的新型電光調(diào)制器是屬于光通信領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)技術(shù)。其光波導(dǎo)由Si和石墨烯為主要材料構(gòu)成一個(gè)Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)。石墨烯分布于Si波導(dǎo)中間，呈一個(gè)類三明治的結(jié)構(gòu)，每層石墨烯由5nm厚度的hBN隔開。由于石墨烯優(yōu)異的電光特性，大大地提高了電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬、調(diào)制速率，減小了插入損耗。由于該器件體積小，運(yùn)作穩(wěn)定，更易于產(chǎn)業(yè)化。
【專利說(shuō)明】基于石墨烯的新型電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于石墨烯的新型電光調(diào)制器是屬于光通信領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]電光調(diào)制器在光纖通信系統(tǒng)里扮演了十分重要的一個(gè)角色。由于互聯(lián)網(wǎng)的突發(fā)性等因素導(dǎo)致光纖通信從傳統(tǒng)的兩點(diǎn)通信發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化，例如密集波分復(fù)用(DWDM = DenseWavelength Division Multiplexing)的高性能、大容量的全光網(wǎng)絡(luò)。光纖通信單信道的傳輸極限是100Gb/S，但是我們目前的終端信號(hào)處理能力相對(duì)于光纖本身的巨大傳輸能力就拙荊見肘了，所以電光調(diào)制器作為光收發(fā)模塊的重要部件，它的研究意義就變得十分重要了。
[0003]高速電光調(diào)制器是光電開關(guān)的基礎(chǔ)，除了應(yīng)用于光纖通信外，還有很多其他的用途。高速相位調(diào)制器可以用于相干光纖通信系統(tǒng)，在密集波分復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)中多用于產(chǎn)生多光頻的梳形發(fā)生器，又或者用作于激光束的電光移頻器。石墨烯電光調(diào)制器具有非常優(yōu)秀的特性，可以用于光纖有線電視(CATV)系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)中繼站和中繼站之間的光鏈路和高速A/D轉(zhuǎn)換器。另外，高速電光調(diào)制器除了用于以上的高數(shù)據(jù)率的數(shù)字光纖系統(tǒng)外,還可以在光時(shí)分復(fù)用(OTDM)系統(tǒng)中產(chǎn)生出高重復(fù)頻率、極窄的光脈沖或光孤子，在先進(jìn)雷達(dá)的欺騙系統(tǒng)中充當(dāng)光子帶寬微波移相器以及移頻器，在微波相控陣?yán)走_(dá)中充當(dāng)光子時(shí)間延遲器，用于高速光波元件分析儀器，用于測(cè)量微弱的微波電場(chǎng)等等。
[0004]石墨烯(Graphene)是近幾年發(fā)展非常迅猛的一種新型二維無(wú)機(jī)納米材料。自從它被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在化學(xué)、電子、物理、材料等領(lǐng)域都得到了廣闊的應(yīng)用。它出色的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能使它成為了一種非常理想的無(wú)機(jī)納米材料，在半導(dǎo)體光電器件中，石墨烯也有非常廣大的應(yīng)用前景。相比較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，石墨烯在很多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。比如石墨烯中的載流子的遷移率可以達(dá)到15000cm2/(V.s)，這相當(dāng)于光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他的半導(dǎo)體材料。由于石墨烯是單原子層的結(jié)構(gòu)，在可見光區(qū)的透過(guò)率高達(dá)97%以上，有著優(yōu)越的光學(xué)性能。
[0005]電光調(diào)制器在光通信領(lǐng)域里是十分重要的一個(gè)器件，而以石墨烯作為介質(zhì)的電光調(diào)制器，具有傳統(tǒng)電光調(diào)制器所不具備的很多優(yōu)勢(shì)。它大大提高了調(diào)制器的調(diào)制帶寬、調(diào)制速率，擁有更小的損耗，而且石墨烯制備技術(shù)也已經(jīng)比較成熟，制作成本比較低廉，且儲(chǔ)量豐富。石墨烯調(diào)制器取代傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體電光調(diào)制器已是必然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是如何利用石墨烯作為介質(zhì)設(shè)計(jì)制作出調(diào)制效果更好的光波導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)提高相應(yīng)電光調(diào)制器的各項(xiàng)性能參數(shù)。
[0007]整個(gè)調(diào)制器采用的是Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)。其組成見附圖1、2。裝置的參數(shù)已經(jīng)標(biāo)示在圖中，該裝置由金屬電極、石墨烯層以及脊型波導(dǎo)組成。
[0008]圖1中，調(diào)制器波導(dǎo)的兩臂5間隔為3 μ m，波導(dǎo)的寬度為390nm，高度為335nm。金屬電極1、2、3分別位于波導(dǎo)兩臂的兩側(cè)550nm遠(yuǎn)處，石墨烯層4穿過(guò)脊波導(dǎo)分別和電極1、2、3相連。
[0009]圖2中，在底部是一個(gè)450nm厚度的二氧化硅基底10，在基底層上方是一個(gè)90nm厚的硅波導(dǎo)高折射率層9，在其上方是一個(gè)兩端連接光柵耦合器的390nm寬度和335nm厚度的硅脊型波導(dǎo)8。為了提高調(diào)制器的調(diào)制效率，我們?cè)诠璨▽?dǎo)的中間增加了一個(gè)石墨烯層12?？梢栽趫D中看到，位于Si波導(dǎo)中間的就是一個(gè)類似于三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯層結(jié)構(gòu)。每?jī)蓪邮┲g都由5nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料7隔開，形成一個(gè)電容器的結(jié)構(gòu)，hBN是一種很好的電絕緣材料。多余的石墨烯層通過(guò)氧化物11和波導(dǎo)隔開。石墨烯層正好位于硅波導(dǎo)光場(chǎng)分布的最大區(qū)域，這樣的話，石墨烯層的吸收效率就能最大化，能夠大大地提聞?wù){(diào)制器的性能。
[0010]石墨烯層的加入大大減小了硅波導(dǎo)的RC常數(shù)，極大地提高了調(diào)制器的調(diào)制速率，同時(shí)也減小了調(diào)制器的損耗。由于石墨烯具有極其優(yōu)異的電光特性，石墨烯中的載流子的遷移率可以達(dá)到15000cm2/(V.S)，這相當(dāng)于光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他的半導(dǎo)體材料，再加上本身是單原子層的結(jié)構(gòu)，在可見光區(qū)的透過(guò)率高達(dá)97%以上，可以吸收2.3%的正常入射的紫外光和可見光，所以石墨烯調(diào)制器相對(duì)于傳統(tǒng)的電光調(diào)制器具有更大的調(diào)制帶寬。
[0011]基于石墨烯的Mach-Zehnder型電光調(diào)制器工作原理:利用了經(jīng)典的M-Z干涉結(jié)構(gòu)，通過(guò)在光波導(dǎo)兩臂施加不同的電壓，改變光波導(dǎo)的折射率，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)Y分支將信號(hào)合為一路輸出。輸出的光功率可以由兩臂的電壓共同控制。相比于傳統(tǒng)的M-Z型電光調(diào)制器，石墨烯材料 對(duì)于外加電壓更加敏感。石墨烯的費(fèi)米能級(jí)會(huì)隨著外加電壓的變化而發(fā)生顯著的變化，這直接導(dǎo)致了石墨烯材料本身的電光特性發(fā)生了極大地變化。
[0012]本調(diào)制器的主要參數(shù)分析:經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，可以得到本調(diào)制器的各項(xiàng)參數(shù)，其中調(diào)制帶寬可以達(dá)到12THz以上，調(diào)制速率理論上可以達(dá)到180Ghz-800Ghz，插入損耗為-1.66dB，消光比為36.8dB。
[0013]本發(fā)明的有益效果:
[0014]1、與傳統(tǒng)的電光調(diào)制器相比，石墨烯調(diào)制器具有優(yōu)異的電光特性，施加外電壓會(huì)極大地改變光波導(dǎo)的有效折射率，大大提高了電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬和調(diào)制速率，減小了調(diào)制器的插入損耗，這是光學(xué)系統(tǒng)向集成化發(fā)展的一個(gè)優(yōu)先選擇。
[0015]2、由于采用了石墨烯材料，由于調(diào)制器兩臂有效折射率的差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)材料的調(diào)制器，極大地縮小了調(diào)制器的尺寸，而且運(yùn)作穩(wěn)定，更易于產(chǎn)業(yè)化。
[0016]3、實(shí)現(xiàn)了高帶寬、高速、大容量調(diào)制，可以應(yīng)用與光線到戶等等各項(xiàng)舉措，應(yīng)時(shí)應(yīng)
旦
-5^ O
[0017]本發(fā)明的應(yīng)用價(jià)值:該電光調(diào)制器主要運(yùn)用于高速寬帶源遠(yuǎn)距離的光纖通信系統(tǒng)中，在集成光路中也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和運(yùn)作性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1Mach-Zehnder調(diào)制器俯視圖
[0019]圖2Mach_Zehnder調(diào)制器光波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)圖【具體實(shí)施方式】
[0020]二氧化硅基底是通過(guò)在頂層硅和襯底上引入氧化層形成的，石墨烯層是通過(guò)化學(xué)沉積的方式生長(zhǎng)在脊波導(dǎo)上，而六方氮化硼則是通過(guò)等離子體化學(xué)沉積的過(guò)程形成的。上層的脊型硅波導(dǎo)則是通過(guò)焊接技術(shù)來(lái)進(jìn)行組裝。
【權(quán)利要求】
1.基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括二氧化娃基底、娃波導(dǎo)、三層交叉的石墨烯層、隔離層以及電極，當(dāng)通過(guò)電極在光波導(dǎo)兩臂施加不同的電壓時(shí)，石墨烯的費(fèi)米能級(jí)會(huì)發(fā)生不同程度的改變，導(dǎo)致光波導(dǎo)的有效折射率也會(huì)隨之發(fā)生不同的改變，最終在第二個(gè)Y分支處發(fā)生干涉調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其特征在于，所述二氧化硅基底厚度為450nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其特征在于，所述娃波導(dǎo)平板層厚度為90nm,脊形波導(dǎo)寬390nm,總厚度為335nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其特征在于，所述石墨烯層位于脊波導(dǎo)70nm高處，其結(jié)構(gòu)為三層交叉的電容器結(jié)構(gòu)，分別與電極相連，其中，中間的一層石墨烯接地，每層石墨烯厚度為0.7nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其特征在于，所述隔離層位于硅波導(dǎo)和每層石墨烯層之間，隔離層每層厚度為5nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其特征在于，所述金屬電極和娃波導(dǎo)間距為550nm。
【文檔編號(hào)】G02F1/035GK103969850SQ201410192797
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】張曉霞, 王建敏, 劉永 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)