一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】，包括絕緣層，位于半導(dǎo)體襯底層之上，Y分支位于絕緣層之上；Y分支包括輸入光波導(dǎo)，第一分支波導(dǎo)和第二分支波導(dǎo)；第一石墨烯層垂直嵌入于第二分支波導(dǎo)中，第二石墨烯層水平嵌入于第一分支波導(dǎo)中；在具有水平嵌入石墨烯的波導(dǎo)中可有效控制波導(dǎo)對橫磁(TM)模的吸收，而對橫電(TE)模幾乎透明，從而濾除TM模，輸出TE模；在具有垂直嵌入石墨烯的波導(dǎo)中可有效控制波導(dǎo)對TE模的吸收，而對TM模幾乎透明，從而可以濾除TE模，輸出TM模。本發(fā)明具有體積小、消光比高、工作波長范圍寬、串擾小、可集成的優(yōu)點，在未來光電子集成中有著廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器。

【背景技術(shù)】
[0002]偏振分束器的作用是將特定波長范圍內(nèi)入射的一束光的兩個正交偏振模進行分離。偏振分束器作為一種重要的光學(xué)器件，它被廣泛地用在光通信系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、光測試儀表等領(lǐng)域。偏振分束器是相干光測量、光纖通信系統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)中不依賴于偏振的波長濾波器、未來偏振無關(guān)的片上集成光路中必不可少的部分。
[0003]在光子集成器件中，主要有兩種方法來實現(xiàn)偏振分束器。一種是基于定向耦合器的方法來實現(xiàn)，它依賴于傳統(tǒng)耦合模理論，光波從一個端口進入波導(dǎo)臂，在經(jīng)過耦合區(qū)時，光波耦合到相鄰的波導(dǎo)中，由于12和II模具有不同的耦合長度，通過合理設(shè)計耦合區(qū)的長度，可以實現(xiàn)12和II模的分離。這種基于定向耦合的偏振分束器對耦合長度非常敏感，耦合長度需要依據(jù)入射波長特別設(shè)計，因而工作波長范圍窄(見文獻0166 了，21111 5, 6 0 10.0108 00111^8^11316 ￠)018^128^10110^^105
^1-688, 2012，701.2(0。另一種方法是基于II擴散或質(zhì)子交換法制作的鈮酸鋰晶體波導(dǎo)X分支結(jié)構(gòu)，^分支的兩個分支波導(dǎo)具有不同的雙折射率，12和II模分別耦合到與之傳播常數(shù)較接近的分支波導(dǎo)中，從而實現(xiàn)12和II模的分離。但由于鈮酸鋰晶體材料相對比較弱的雙折射效應(yīng)，通常需要器件設(shè)計的尺寸較大，因而不易于集成(見文獻^1111狀成1 1,
181118110111 了， ^8^8110 只.八& 12/11 界8乂6 8^111:1:61~ 118111? 8
11161:81 11116.了011111&1 0？1601111010^7, 2007， ^01.25)0
[0004]申請?zhí)枮棰?01210238859.7的一種用于模式復(fù)用系統(tǒng)的集成光波導(dǎo)偏振分束器，包括有兩組正交偏振光注入的多模輸入光波導(dǎo)，偏振敏感裝置和第一多模輸出光波導(dǎo)，第二多模輸出光波導(dǎo)；偏振敏感裝置的輸入端與多模輸入光波導(dǎo)相連接，偏振敏感裝置的兩個輸出端分別與各自的第一多模輸出光波導(dǎo)，第二多模輸出光波導(dǎo)相連接，第一多模輸出光波導(dǎo)，第二多模輸出光波導(dǎo)分別用于接收被偏振敏感裝置所分離的兩組正交偏振光。該專利將橫電12偏振基模及高階模、橫磁II偏振基模及高階模在空間上分離、且同一偏振的各階模式從同一端口輸出的功能。
[0005]石墨烯是一種蜂窩形的二維六方碳結(jié)構(gòu)材料，自從它在2004被發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨特的光電特性，引起了科學(xué)界的廣泛研究。石墨烯的光導(dǎo)率可以由外加電壓控制(見文獻卩，211811^ I 8， 11811 0 8, 611*1^ 0.26七七 1 八，01*011111116 1，尺011 8.0&七6—V&!'1^316
0^110^1 1:1*81151^10115 111 ^8^)116116.80161106, 2008，1.320 )，并且對紫外光到紅外光的光譜都有相對較大的吸收，因而石墨烯在光電子器件方面的應(yīng)用已被廣泛地研究，包括在光調(diào)制器、光探測器、偏振器、鎖模激光器方面的應(yīng)用(見文獻8如0，21^叫??！，^ 8，^1 2， 1,1111 0 V X，V，0 V，1(卩.81*08(113811(1 ^1*8^)116116 ￠)012611.^110^011105, 2011， ^01.5 矛口文獻 1111 1， ^111 X，2， 6611^ 8，
丁， ^11 I， ^311^ 卩，乂.八 ^1*8^116116-13856(1 131*08(113811(1 0^1103,1 1110他七證6，2011，^01.474)0


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于如何提供分束性能良好的基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，其工作波長范圍寬，易集成。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，包括絕緣層20，位于半導(dǎo)體襯底層10之上，V分支位于絕緣層20之上分支包括輸入光波導(dǎo)# 1，第一分支波導(dǎo)# 2和第二分支波導(dǎo)# 3 ；第一石墨烯層51垂直嵌入于第二分支波導(dǎo)# 3中，第二石墨烯層52水平嵌入于第一分支波導(dǎo)# 2中；第一段波導(dǎo)31、第一石墨烯層51和第二段波導(dǎo)32依次被第一隔離介質(zhì)層41、第二隔離介質(zhì)層42隔離；第三段波導(dǎo)33、第二石墨烯層52和第四段波導(dǎo)34依次被第三隔離介質(zhì)層43、第四隔離介質(zhì)層44隔離。
[0008]在本發(fā)明中，所述V分支將一束光信號分成兩束光信號，部分或全部埋入絕緣層20中，第一分支波導(dǎo)# 2和第二分支波導(dǎo)# 3是對稱或非對稱分開。
[0009]在本發(fā)明中，所述半導(dǎo)體襯底層10、輸入光波導(dǎo)# 1、第一分支波導(dǎo)# 2、第三段波導(dǎo)33、第四段波導(dǎo)34、第二分支波導(dǎo)# 3、第一段波導(dǎo)(31)和第二段波導(dǎo)32的材料相同，為硅、鍺、鍺硅合金、III；族半導(dǎo)體和11-17族半導(dǎo)體中的一種。
[0010]在本發(fā)明中，所述第一石墨烯層51、第二石墨烯層52為單層石墨烯或者多層石墨烯。
[0011]在本發(fā)明中，所述絕緣層20和第一至第四隔離介質(zhì)層材料為絕緣材料，為硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物中的一種。
[0012]本發(fā)明的工作原理為:
石墨烯的化學(xué)勢可以通過外加電壓動態(tài)的調(diào)諧，石墨烯嵌入波導(dǎo)中，石墨烯的化學(xué)勢的改變可以導(dǎo)致波導(dǎo)的有效折射率的改變，從而可以通過石墨烯來控制波導(dǎo)有效折射率的改變。波導(dǎo)的有效折射率包括實部和虛部，實部影響光信號的相位信息，虛部對應(yīng)于光的吸收。施加適當?shù)碾妷海诰哂兴角度胧┑牟▽?dǎo)中可以有效控制波導(dǎo)對II模的吸收，而對12模幾乎透明，從而可以濾除II模，輸出12模；在具有垂直嵌入石墨烯的波導(dǎo)中可以有效控制波導(dǎo)對12模的吸收，而對II模幾乎透明，從而可以濾除12模，輸出II模。這樣，可以通過石墨烯來分別調(diào)控兩段波導(dǎo)對II和12模的吸收狀態(tài)，從而實現(xiàn)對12、11模的分束。石墨烯對從紫外光到紅外光的光譜都有相對較大的光吸收，并且自身的電子遷移率非?？?，因而可以實現(xiàn)小尺寸、寬光譜、高速率的偏振分束器。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明提出的一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器具有尺寸小，消光比高、插入損耗小、帶寬高，與(:103工藝兼容，易于集成的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明提供的一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例中入射光波長為1.55觸在垂直嵌入石墨烯波導(dǎo)中模和II模隨著石墨烯的化學(xué)勢能的改變而變化的光吸收系數(shù)圖；
圖3是本發(fā)明實施例中入射光波長為1.55觸在水平嵌入石墨烯波導(dǎo)中模和II模隨著石墨烯的化學(xué)勢能的改變而變化的光吸收系數(shù)圖；
圖4是本發(fā)明實施例中基于石墨烯的偏振分束器中在V分支第二分支波導(dǎo)中，12、XI模隨著傳輸距離的衰減圖；
圖5是本發(fā)明實施例中基于石墨烯的偏振分束器中在V分支第一分支波導(dǎo)中，12、XI模隨著傳輸距離的衰減圖；
附圖標記為:10-半導(dǎo)體襯底層、20-絕緣層、# 1-輸入光波導(dǎo)、# 2-第一分支波導(dǎo)、
#3-第二分支波導(dǎo)、31-第一段波導(dǎo)、32-第二段波導(dǎo)；33-第三段波導(dǎo)、34-第四段波導(dǎo)、41-第一隔離介質(zhì)層、42-第二隔離介質(zhì)層、43-第三隔離介質(zhì)層、44-第四隔離介質(zhì)層、51-第一石墨烯層、52-第二石墨烯層。

【具體實施方式】
[0015]下面將結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述。
實施例
[0016]圖1是本發(fā)明提供的一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器結(jié)構(gòu)示意圖，包括絕緣層20，位于半導(dǎo)體襯底層10之上，V分支位于絕緣層20之上#分支包括輸入光波導(dǎo)
#1，第一分支波導(dǎo)# 2和第二分支波導(dǎo)# 3 ；第一石墨烯層51垂直嵌入于第二分支波導(dǎo)
#3中，第二石墨烯層52水平嵌入于第一分支波導(dǎo)# 2中；第一段波導(dǎo)31、第一石墨烯層51和第二段波導(dǎo)32依次被第一隔離介質(zhì)層41、第二隔離介質(zhì)層42隔離；第三段波導(dǎo)33、第二石墨烯層52和第四段波導(dǎo)34依次被第三隔離介質(zhì)層43、第四隔離介質(zhì)層44隔離。
[0017]實施例中X分支波導(dǎo)的寬為0.4/如，高為0.34/如，其中包括具有水平嵌入5/^長度的兩層石墨烯的第一分支波導(dǎo)# 2和具有垂直嵌入5/如長度的兩層石墨烯的第二分支波導(dǎo)
#3，第一至第四隔離介質(zhì)層材料為711111厚的八1203，波導(dǎo)材料為31，絕緣層20材料為3102，波長為1.55伽的通信波長代入仿真計算。
[0018]圖2是入射光波長為1.55在垂直嵌入石墨烯波導(dǎo)中12模和II模隨著石墨烯的化學(xué)勢能的改變而變化的光吸收系數(shù)圖。在垂直嵌入石墨烯波導(dǎo)中，在特定石墨烯化學(xué)勢時，波導(dǎo)對了1模的吸收系數(shù)非常小，了1模式光幾乎可以無損耗地通過垂直嵌入石墨烯的波導(dǎo)，而波導(dǎo)12模有較高的光吸收系數(shù)，因而垂直嵌入石墨烯的波導(dǎo)可以通過偏置電壓有效濾除12模，輸出II模。
[0019]圖3是入射光波長為1.55細在水平嵌入石墨烯波導(dǎo)中12模和II模隨著石墨烯的化學(xué)勢能的改變而變化的光吸收系數(shù)圖。在水平嵌入石墨烯波導(dǎo)中，在特定石墨烯化學(xué)勢時，波導(dǎo)對呢模的吸收系數(shù)非常小，呢模式光幾乎可以無損耗地通過垂直嵌入石墨烯的波導(dǎo)，而波導(dǎo)II模有較高的光吸收系數(shù)，因而垂直嵌入石墨烯的波導(dǎo)可以通過偏置電壓有效濾除II模，輸出12模。
[0020]圖4是在具有垂直嵌入石墨烯波導(dǎo)# 3中，石墨烯化學(xué)勢為0.51?時12、11模隨著傳輸距離變化的歸一化輸出光功率。消光比￡89^=24(18,
[0021]圖5是在具有水平嵌入石墨烯波導(dǎo)# 2中，石墨烯化學(xué)勢為0.51?時12、11模隨著傳輸距離變化的歸一化輸出光功率。消光比1^)=21(18^
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，包括絕緣層(20)，位于半導(dǎo)體襯底層(10)之上，Y分支位于絕緣層(20)之上；Y分支包括輸入光波導(dǎo)(# I)，第一分支波導(dǎo)(# 2)和第二分支波導(dǎo)(# 3);第一石墨烯層(51)垂直嵌入于第二分支波導(dǎo)(# 3)中，第二石墨烯層(52)水平嵌入于第一分支波導(dǎo)(# 2)中；第一段波導(dǎo)(31)、第一石墨烯層(51)和第二段波導(dǎo)(32)依次被第一隔離介質(zhì)層(41)、第二隔離介質(zhì)層(42)隔離；第三段波導(dǎo)(33)、第二石墨烯層(52)和第四段波導(dǎo)(34)依次被第三隔離介質(zhì)層(43)、第四隔離介質(zhì)層(44)隔尚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，其特征在于，所述Y分支將一束光信號分成兩束光信號，部分或全部埋入絕緣層(20)中，第一分支波導(dǎo)(# 2)和第二分支波導(dǎo)(# 3)是對稱或非對稱分開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底層(10)、輸入光波導(dǎo)(# I)、第一分支波導(dǎo)(# 2)、第三段波導(dǎo)(33)、第四段波導(dǎo)(34)、第二分支波導(dǎo)(# 3)、第一段波導(dǎo)(31)和第二段波導(dǎo)(32)的材料相同，為硅、鍺、鍺硅合金、II1-V族半導(dǎo)體和I1-1V族半導(dǎo)體中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，其特征在于，所述第一石墨烯層(51)、第二石墨烯層(52)為單層石墨烯或者多層石墨烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的平面光波導(dǎo)偏振分束器，其特征在于，所述絕緣層(20)和第一至第四隔離介質(zhì)層(41、42、43、44)材料為絕緣材料，為硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物中的一種。
【文檔編號】G02F1/035GK104317071SQ201410652199
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】劉永, 葉勝威, 壽曉峰, 王子帥, 陸榮國, 張尚劍, 張雅麗 申請人:電子科技大學(xué)