本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種黑磷光調(diào)制器及其制備方法。

背景技術(shù)：

光調(diào)制器是現(xiàn)代光電通信系統(tǒng)中最重要的器件之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)快速而準(zhǔn)確的編碼調(diào)制。光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)光波導(dǎo)，在光波導(dǎo)中施加電場(chǎng)，光經(jīng)過該光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，入射光的折射率或者吸收率會(huì)發(fā)生變化，從而引起輸出光的相位或振幅的變化。探索高速、寬帶和尺寸小的光調(diào)制器是本研究領(lǐng)域的熱門課題之一。

黑磷位于元素周期表第15位，元素符號(hào)為p，其為黑色有金屬光澤的晶體。2014年，與石墨烯一樣擁有二維層狀結(jié)構(gòu)的黑磷，被視為新的超級(jí)材料，剛一出現(xiàn)就引起了全世界的廣泛關(guān)注。黑磷是一種天然的半導(dǎo)體，其帶隙寬度可調(diào)、電學(xué)性能優(yōu)越，被認(rèn)為有望取代硅，成為半導(dǎo)體工業(yè)的核心材料。黑磷的光學(xué)性能同其它半導(dǎo)體相比也有巨大優(yōu)勢(shì)，它的半導(dǎo)體帶隙是直接帶隙，即導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部在同一位置，這意味著黑磷可以和光直接耦合，構(gòu)筑新一代光電器件。此外，黑磷還具有獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)的各向異性。

盡管黑磷已在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，它卻存在著一個(gè)致命缺陷：缺乏穩(wěn)定性。研究表明，黑磷之所以穩(wěn)定性差，是因?yàn)樵谄浞涓C狀結(jié)構(gòu)中，磷原子與其它三個(gè)磷原子成鍵之后，外層仍有一對(duì)孤對(duì)電子，該孤對(duì)電子易被氧分子奪走，從而造成外層黑磷的氧化，而在有水存在的情況下，表面生成的氧化磷會(huì)迅速與水反應(yīng)而被降解掉，這樣暴露出來的黑磷又會(huì)繼續(xù)被氧化進(jìn)而降解。這一缺陷極大地限制了黑磷的研究和工業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種黑磷光調(diào)制器。所述黑磷光調(diào)制器中的黑磷存在較為穩(wěn)定的環(huán)境中，不會(huì)被氧化。本發(fā)明還提供了一種黑磷光調(diào)制器的制備方法，該制備方法工藝簡(jiǎn)單。

本發(fā)明第一方面提供了一種黑磷光調(diào)制器，包括黑磷光調(diào)制器本體、槽型玻片和蓋玻片，所述槽型玻片包括一凹槽，所述黑磷光調(diào)制器本體容置在所述凹槽中，所述蓋玻片覆蓋所述槽型玻片以密封所述凹槽。

其中，所述黑磷光調(diào)制器本體包括第一電極、第二電極、襯底、絕緣層和黑磷層，所述襯底、所述絕緣層和所述黑磷層依次層疊設(shè)置在所述凹槽中，所述黑磷層和所述絕緣層包括向相反方向延伸的延伸端，所述黑磷層的延伸端上設(shè)有第一電極，所述絕緣層的延伸端上設(shè)有第二電極。

其中，所述黑磷光調(diào)制器本體包括第一電極、第二電極、襯底、絕緣層、第一黑磷層、電容層和第二黑磷層，所述第一黑磷層和所述第二黑磷層之間通過所述電容層隔離，所述襯底、所述絕緣層、所述第一黑磷層、所述電容層和第二黑磷層依次層疊設(shè)置在所述凹槽中，所述第一黑磷和所述第二黑磷層包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一黑磷層的延伸端上設(shè)有所述第一電極，所述第二黑磷層的延伸端上設(shè)有所述第二電極。

其中，所述槽型玻片的側(cè)面設(shè)有兩個(gè)通孔，所述第一電極和所述第二電極分別通過所述兩個(gè)通孔局部暴露在空氣中。

其中，所述黑磷層的厚度為0.7nm-3nm，所述第一黑磷層的厚度為0.7nm-3nm，所述第二黑磷層的厚度為0.7nm-3nm。

其中，所述凹槽的深度為30nm-100nm。

其中，所述蓋玻片和所述槽型玻片的材質(zhì)包括石英玻璃。

其中，所述黑磷光調(diào)制器的長(zhǎng)度為300nm-500nm。

本發(fā)明第一方面提供的黑磷光調(diào)制器，通過將黑磷光調(diào)制器本體容置在槽型玻片的凹槽中且通過蓋玻片覆蓋所述槽型玻片以密封所述凹槽，黑磷光調(diào)制器本體可以密封在密閉空間中，可有效地解決黑磷光調(diào)制器中黑磷材料容易被氧化的難題。同時(shí)本發(fā)明黑磷光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的脊型波導(dǎo)，縮小了光調(diào)制器的尺寸，減小了光調(diào)制器的體積。

本發(fā)明第二方面提供了一種黑磷光調(diào)制器的制備方法，包括：

提供槽型玻片和黑磷光調(diào)制器本體，所述槽型玻片包括一凹槽以及與所述凹槽鄰接的上表面，在所述凹槽中容置所述黑磷調(diào)制器本體；

提供蓋玻片，在所述槽型玻片的所述上表面或所述蓋玻片表面涂覆無影膠，將所述蓋玻片覆蓋所述上表面以密封所述凹槽，固化后，得到黑磷光調(diào)制器。

其中，所述固化的操作包括：先固化6s-10s，然后去除多余的無影膠，再固化完全，得到所述黑磷光調(diào)制器。

本發(fā)明第二方面提供的黑磷光調(diào)制器的制備方法，制備方法簡(jiǎn)單、易操作。

綜上，本發(fā)明有益效果包括以下幾個(gè)方面：

1、本發(fā)明提供的黑磷光調(diào)制器為黑磷的存在提供了穩(wěn)定的環(huán)境，凸顯了黑磷材料優(yōu)異的半導(dǎo)體和光電性能，同時(shí)本發(fā)明黑磷光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的脊型波導(dǎo)，縮小了光調(diào)制器的尺寸；

2、本發(fā)明提供的黑磷光調(diào)制器的制備方法，制備方法簡(jiǎn)單、易操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的黑磷光調(diào)制器的剖面圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的黑磷光調(diào)制器的正視圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的槽型玻片的俯視圖；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施方式提供的蓋玻片的俯視圖；

圖5為本發(fā)明一實(shí)例中黑磷光波導(dǎo)的te和tm模的模場(chǎng)分布圖，采用fdtd軟件模擬仿真得到te和tm模在波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布；

圖6為本發(fā)明一實(shí)例中黑磷光波導(dǎo)的te和tm模損耗隨偏置電壓的變化圖。

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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

結(jié)合圖1-4，本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了一種黑磷光調(diào)制器，包括黑磷光調(diào)制器本體1、槽型玻片2和蓋玻片3，所述槽型玻片2包括一凹槽21，所述黑磷光調(diào)制器本體1容置在所述凹槽21中，所述蓋玻片3覆蓋所述槽型玻片2以密封所述凹槽21。

本發(fā)明通過將黑磷光調(diào)制器本體容置在槽型玻片的凹槽中且通過蓋玻片覆蓋所述槽型玻片以密封所述凹槽，黑磷光調(diào)制器本體可以密封在密閉空間中，可有效地解決黑磷光調(diào)制器中黑磷材料容易被氧化的難題。

本發(fā)明一實(shí)施方式中，所述黑磷光調(diào)制器本體包括第一電極14、第二電極15、襯底11、絕緣層12和黑磷層13，所述襯底11、所述絕緣層12和所述黑磷層13依次層疊設(shè)置在所述凹槽21中，所述黑磷層13和所述絕緣層12包括向相反方向延伸的延伸端，所述黑磷層13的延伸端上設(shè)有第一電極14，所述絕緣層12的延伸端上設(shè)有第二電極15。具體地，所述黑磷光調(diào)制器本體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，所述黑磷層和所述絕緣層包括向相反方向延伸的延伸端，所述黑磷層的延伸端上設(shè)有第一電極，所述絕緣層的延伸端上設(shè)有第二電極。本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)黑磷層為一層時(shí)，可在黑磷層上設(shè)置第一電極，在絕緣層設(shè)置第二電極，當(dāng)所述黑磷光調(diào)制器工作時(shí)，偏置電壓同時(shí)加在兩個(gè)電極上，通過改變偏置電壓，可調(diào)節(jié)黑磷的光導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波導(dǎo)的有效折射率；通過加上偏置電壓，來改變光信號(hào)的相位或振幅?？蛇x地，所述黑磷層的厚度為0.7nm-3nm。可選地，黑磷層在第二方向上的寬度為10nm-50nm。可選地，黑磷層中的黑磷為單層或多層黑磷。具體地，多層黑磷的層數(shù)為2-10層。可選地，黑磷層中的黑磷材料包括黑磷納米帶。

本發(fā)明另一實(shí)施方式中，所述黑磷光調(diào)制器本體包括第一電極、第二電極、襯底、絕緣層、第一黑磷層、電容層和第二黑磷層，所述第一黑磷層和所述第二黑磷層之間通過所述電容層隔離，所述襯底、所述絕緣層、所述第一黑磷層、所述電容層和第二黑磷層依次層疊設(shè)置在所述凹槽中，所述第一黑磷和所述第二黑磷層包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一黑磷層的延伸端上設(shè)有所述第一電極，所述第二黑磷層的延伸端上設(shè)有所述第二電極。具體地，所述黑磷光調(diào)制器本體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，所述第一黑磷層和所述第二黑磷層包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一黑磷層的延伸端上設(shè)有第一電極，所述第二黑磷層的延伸端上設(shè)有第二電極?？蛇x地，所述電容層的材質(zhì)為氧化鋁；可選地，電容層的厚度5nm-10nm，寬度為20nm-40nm?？蛇x地，在垂直于襯底方向上，第一黑磷層和第二黑磷層部分重疊或完全重疊。本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)黑磷層為兩層時(shí)，可在第一黑磷層上設(shè)置第一電極，在第二黑磷層上設(shè)置第二電極。可選地，所述第一黑磷層的厚度為0.7nm-3nm，所述第二黑磷層的厚度為0.7nm-3nm?？蛇x地，所述第一黑磷層和所述第二黑磷層在第二方向上的寬度為10nm-50nm?？蛇x地，所述第一黑磷層和所述第二黑磷層中的黑磷為單層或多層黑磷。具體地，多層黑磷的層數(shù)為2-10層?？蛇x地，所述第一黑磷層和所述第二黑磷層中的黑磷材料包括黑磷納米帶。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述槽型玻片的側(cè)面設(shè)有兩個(gè)通孔，所述第一電極14和所述第二電極15分別通過所述兩個(gè)通孔局部暴露在空氣中。可選地，所述第一電極14可以通過第一個(gè)通孔局部暴露在空氣中，所述第二電極15可以通過第二個(gè)通孔局部暴露在空氣中。這樣設(shè)置可使第一電極和第二電極通過外部電路連接(用vg表示)，以在所述槽型玻片的側(cè)面設(shè)置偏置電壓，通過改變偏置電壓，可調(diào)節(jié)黑磷的光導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波導(dǎo)的有效折射率；通過加上偏置電壓，來改變光信號(hào)的相位或振幅。此外，本發(fā)明通過在黑磷光調(diào)制器本體的側(cè)面設(shè)置偏置電壓，不用像傳統(tǒng)的光調(diào)制器在頂端加電壓(脊型電極)，可以縮短黑磷光調(diào)制器本體的尺寸大小。具體地，所述槽型玻片包括四個(gè)側(cè)面，所述兩個(gè)通孔可同時(shí)設(shè)置在同一個(gè)側(cè)面上?？蛇x地，所述第一電極和所述第二電極局部暴露在空氣中表示所述第一電極和所述第二電極中僅有部分暴露在空氣中，其他部分還是容置在凹槽中。進(jìn)一步可選地，所述第一電極和所述第二電極的一個(gè)側(cè)面分別通過所述兩個(gè)通孔全部或局部暴露在空氣中。進(jìn)一步可選地，所述第一電極和所述第二電極可以與兩個(gè)通孔緊密接觸以防止空氣通過該通孔進(jìn)入凹槽中。

本發(fā)明實(shí)施方式中，槽型玻片的材質(zhì)包括石英玻璃。可選地，槽型玻片的長(zhǎng)度為300nm-700nm，寬度為350nm-600nm，高度為300nm-400nm?？蛇x地，槽型玻片可以購(gòu)買得到或者通過氫氟酸腐蝕制得。

本發(fā)明實(shí)施方式中，槽型玻片中凹槽的深度為30nm-100nm。可選地，凹槽的長(zhǎng)度為40nm-600nm，寬度為30nm-500nm?？蛇x地，凹槽的形狀可為矩形或幾字形。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述蓋玻片的材質(zhì)包括石英玻璃。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述黑磷光調(diào)制器本體與所述蓋玻片之間留有縫隙，方便黑磷光調(diào)制器本體的熱脹冷縮。具體地，所述黑磷光調(diào)制器本體與所述蓋玻片之間的垂直距離可為10nm-25nm。

本發(fā)明實(shí)施方式中，襯底的材質(zhì)包括硅。可選地，襯底的厚度為20nm-70nm，寬度為100nm-400nm。

本發(fā)明實(shí)施方式中，絕緣層的材質(zhì)包括氧化鋁、二氧化硅、氮化硅或高分子聚合物?？蛇x地，絕緣層的厚度為20nm-50nm，寬度為100nm-200nm。

本發(fā)明實(shí)施方式中，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。可選地，第一電極和第二電極可以正好與蓋玻片接觸或者不與蓋玻片接觸。可選地，第一電極或第二電極的厚度為40nm-50nm。

本發(fā)明實(shí)施方式中，襯底、絕緣層和黑磷層在垂直于襯底方向上部分重疊。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述黑磷光調(diào)制器的長(zhǎng)度為300nm-500nm。

本發(fā)明提供的黑磷光調(diào)制器為黑磷的存在提供了穩(wěn)定的環(huán)境，有效地解決黑磷材料容易被氧化的難題，凸顯了黑磷材料優(yōu)異的半導(dǎo)體和光電性能，同時(shí)本發(fā)明黑磷光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的脊型波導(dǎo)，縮小了光調(diào)制器的尺寸，減小了光調(diào)制器的體積。

本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供了一種黑磷光調(diào)制器的制備方法，包括：

提供槽型玻片和黑磷光調(diào)制器本體，所述槽型玻片包括一凹槽以及與所述凹槽鄰接的上表面，在所述凹槽中容置所述黑磷調(diào)制器本體；

提供蓋玻片，在所述槽型玻片的所述上表面或所述蓋玻片表面涂覆無影膠，將所述蓋玻片覆蓋所述上表面以密封所述凹槽，固化后，得到黑磷光調(diào)制器。

本發(fā)明實(shí)施方式中，在真空條件下或惰性氣體條件下容置黑磷光調(diào)制器本體。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述固化的操作包括：先固化6s-10s，然后去除多余的無影膠后，再固化完全，得到所述黑磷光調(diào)制器。

本發(fā)明實(shí)施方式中，在真空條件下涂覆無影膠，以便去除氣泡。無影膠具體為3217uv無影膠。

本發(fā)明實(shí)施方式中，在制備黑磷光調(diào)制器之前，先將槽型玻片和蓋玻片清洗干凈使其干燥并無油脂。可選地，涂覆無影膠時(shí)，先從槽型玻片的邊緣開始涂覆，注意不能讓膠體滲入凹槽內(nèi)?？蛇x地，選用合適波長(zhǎng)(通常為365nm-400nm)及能量的紫外燈或照明用高壓汞燈進(jìn)行照射，光照時(shí)要從中央向周邊，并確認(rèn)光線確實(shí)能照透至粘合部位。

本發(fā)明實(shí)施方式中，無影膠(uv膠)又稱光敏膠、紫外光固化膠。無影膠是一種必須通過紫外線光照射才能固化的一類膠粘劑，它可以作為粘接劑使用，也可作為油漆、涂料、油墨等的膠料使用。uv是英文ultravioletrays的縮寫，即紫外光線。紫外線(uv)是肉眼看不見的，是可見光以外的一段電磁輻射，波長(zhǎng)在110-400nm的范圍。無影膠固化原理是uv固化材料中的光引發(fā)劑(或光敏劑)在紫外線的照射下吸收紫外光后產(chǎn)生活性自由基或陽(yáng)離子，引發(fā)單體聚合、交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)，使粘合劑在數(shù)秒鐘內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。無影膠的光學(xué)性能優(yōu)，膠體無色透明且固化后透明率遠(yuǎn)大于90％。

本發(fā)明實(shí)施方式中，在槽型玻片的一個(gè)側(cè)面設(shè)置兩個(gè)通孔，所述第一電極和所述第二電極分別通過所述兩個(gè)通孔局部暴露在空氣中。具體地，所述第一電極和所述第二電極可以與兩個(gè)通孔緊密接觸以防止空氣通過該通孔進(jìn)入凹槽中。對(duì)于通孔的大小不做特殊限制，只要能暴露出部分電極即可?？蛇x地，所述第一電極和所述第二電極的一個(gè)側(cè)面分別通過所述兩個(gè)通孔全部或局部暴露在空氣中。

本發(fā)明實(shí)施方式中，黑磷光調(diào)制器的制備方法具體包括：在凹槽內(nèi)依次鍍上襯底(硅)、絕緣層(如氧化鋁)、黑磷和電極(如au)。由于黑磷材料的不穩(wěn)定性，鍍上述材料的過程中均在真空箱或手套箱內(nèi)操作。

本發(fā)明第二方面提供的黑磷光調(diào)制器的制備方法，制備方法簡(jiǎn)單、易操作。實(shí)施例1：

一種黑磷光調(diào)制器，包括：

黑磷光調(diào)制器本體、槽型玻片和蓋玻片，槽型玻片包括一凹槽，黑磷光調(diào)制器本體容置在凹槽中，蓋玻片覆蓋槽型玻片以密封凹槽；黑磷光調(diào)制器本體包括第一電極、第二電極、襯底、絕緣層和黑磷層，襯底、絕緣層和黑磷層依次層疊設(shè)置在凹槽中，黑磷層和絕緣層包括向相反方向延伸的延伸端，黑磷層的延伸端上設(shè)有第一電極，絕緣層的延伸端上設(shè)有第二電極。其中，凹槽的深度為100nm，襯底的材質(zhì)為硅，襯底的寬度為200nm，厚度為20nm，絕緣層的材質(zhì)為氧化鋁，絕緣層的厚度為20nm，寬度為100nm，黑磷層的厚度為2nm，寬度為10nm，第一電極和第二電極的材質(zhì)均為金，第一電極和第二電極的厚度均為40nm，最終得到的黑磷光調(diào)制器的長(zhǎng)度為500nm。

將實(shí)施例1得到的黑磷光調(diào)制器進(jìn)行性能測(cè)試，圖5為本發(fā)明一實(shí)例中黑磷光波導(dǎo)的te和tm模的模場(chǎng)分布圖，采用fdtd軟件模擬仿真得到te和tm模在波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布。圖6為本發(fā)明一實(shí)例中黑磷光波導(dǎo)的te和tm模損耗隨偏置電壓的變化圖。根據(jù)圖6的模擬結(jié)果和理論計(jì)算表明，黑磷光調(diào)制器的帶寬1ghz(f＝1/2πrc,其中r是電阻，c為電容)、調(diào)制深度大于50％、插入耗損小于5db。說明，本發(fā)明實(shí)施例制得的黑磷光調(diào)制器的尺寸較小，且插入耗損較小。

一種黑磷光調(diào)制器的制備方法，包括：

提供上述的槽型玻片和黑磷光調(diào)制器本體，槽型玻片包括一凹槽以及與凹槽鄰接的上表面，在凹槽中容置黑磷調(diào)制器本體；

提供蓋玻片，在上表面或蓋玻片表面涂覆3217uv無影膠，將蓋玻片覆蓋上表面，固化6s，然后去除多余的無影膠后，再進(jìn)行固化完全，得到黑磷光調(diào)制器。

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)。