本發(fā)明涉及一種光調(diào)制器，特別是一種基于石墨烯共面行波電極吸收型光調(diào)制器，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)呈爆炸式增長(zhǎng)，這就使得人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，也就決定了光傳輸系統(tǒng)向超高速、大容量、集成化的方向發(fā)展。光調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò)中的核心器件，對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建起到重要的作用。目前，基于各種機(jī)制的光調(diào)制器都已先后被研發(fā)并制備出來(lái)，目前商用化的調(diào)制器主要是基于鈮酸鋰材料和inp基的光調(diào)制器。最近幾年，基于si基的光調(diào)制器也被制備出來(lái)，雖然其與傳統(tǒng)的cmos工藝兼容，但受其材料本身的限制，再加上目前的光調(diào)制器大多采用集總電極結(jié)構(gòu)，調(diào)制帶寬受rc常數(shù)的限制，光調(diào)制器的帶寬突破50ghz仍然是一個(gè)難題。

石墨烯材料超寬光譜的吸收范圍，超高的載流子遷移率，其光學(xué)特性可以被人為調(diào)控，并且其工藝與傳統(tǒng)cmos工藝兼容，被認(rèn)為是未來(lái)si材料的替代者，是制作光調(diào)制器的理想材料(見(jiàn)文獻(xiàn)kinamkim,etal.aroleforgrapheneinsilicon-basedsemiconductordevices.nature,2011,vol479,p338-344)。目前，基于石墨烯材料的光學(xué)調(diào)制器已經(jīng)得到廣泛的研究，但實(shí)現(xiàn)的光調(diào)制速率卻不是很理想，目前文獻(xiàn)報(bào)道的最大調(diào)制帶寬在35ghz左右(見(jiàn)文獻(xiàn)h.dalir,etal.athermalbroadbandgrapheneopticalmodulatorwith35ghzspeed,acsphotonics3,2016)，還不及傳統(tǒng)si基光調(diào)制器所實(shí)現(xiàn)的調(diào)制帶寬。這主要受限于集總電極結(jié)構(gòu)的較大rc常數(shù)限制。而石墨烯材料具有超高的載流子遷移率，其本征的工作帶寬可達(dá)500ghz。

為了擺脫光調(diào)制器調(diào)制帶寬受限于rc常數(shù)，通過(guò)會(huì)選取采用相速匹配型行波電極結(jié)構(gòu)。目前，相速匹配型行波電極常見(jiàn)的有微帶線結(jié)構(gòu)和共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前，基于石墨烯材料的微帶線電極光調(diào)制器結(jié)構(gòu)已有報(bào)道，例如申請(qǐng)?zhí)枮?01611006448.x的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種基于石墨烯的微帶線行波吸收型光調(diào)制器：包括二氧化硅襯底層和條形硅光波導(dǎo)層，在條形硅光波導(dǎo)層上表面依次設(shè)置有第一石墨烯微帶線和第二石墨烯微帶線，并且彼此之間分別被第一絕緣層、第二絕緣層隔離；第一石墨烯微帶線的兩端分別向遠(yuǎn)離條形硅光波導(dǎo)層的兩側(cè)或同側(cè)延伸出來(lái)連接第一電極和第二電極；第二石墨烯微帶線的其中一端向遠(yuǎn)離條形硅光波導(dǎo)層的一側(cè)延伸出來(lái)連接第三電極。

申請(qǐng)?zhí)枮?01611006448.x的發(fā)明專(zhuān)利需要上下電極之間的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，制備過(guò)程復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于石墨烯共面行波電極吸收型光調(diào)制器,解決了現(xiàn)有基于石墨烯光調(diào)制器受限于集總電極結(jié)構(gòu)的較大rc常數(shù)，造成調(diào)制帶寬比較小的問(wèn)題，基于傳統(tǒng)光電材料調(diào)制器體積較大，以及目前基于石墨烯微帶線行波電極結(jié)構(gòu)中的上下電極之間需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的難題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于石墨烯共面行波電極吸收型光調(diào)制器，包括襯底層、條形光波導(dǎo)、電介質(zhì)填充層、電介質(zhì)隔離層、石墨烯帶狀線和電極，所述石墨烯帶狀線包括第一石墨烯帶狀線、第二石墨烯帶狀線和第三石墨烯帶狀線，所述電介質(zhì)隔離層包括第一電介質(zhì)隔離層和第二電介質(zhì)隔離層，所述條形光波導(dǎo)上方依次設(shè)置有第一電介質(zhì)隔離層、第一石墨烯帶狀線、第二電介質(zhì)隔離層，所述第二電介質(zhì)隔離層上設(shè)置有第二石墨烯帶狀線和第三石墨烯帶狀線，所述第一石墨烯帶狀線兩端分別連接第一電極和第二電極，所述第二石墨烯帶狀線一端連接第一接地電極和第二接地電極，所述第三石墨烯帶狀線一端連接第三接地電極和第四接地電極；所述第一接地電極、第二接地電極與第一電極形成gsg(ground-signal-ground)結(jié)構(gòu)，所述第三接地電極、第四接地電極與第二電極形成gsg結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述第一石墨烯帶狀線、第二石墨烯帶狀線和第三石墨烯帶狀線與電極的連接部分為光滑的帶狀曲線。

進(jìn)一步的，所述電介質(zhì)填充層包括第一電介質(zhì)填充層和第二電介質(zhì)填充層，所述襯底層上設(shè)置條形光波導(dǎo)，所述條形光波導(dǎo)兩側(cè)分別設(shè)置第一電介質(zhì)填充層與第二電介質(zhì)填充層。

進(jìn)一步的，所述襯底層的材料為硅、氮化硅中的一種。

進(jìn)一步的，所述第一電介質(zhì)隔離層、第二電介質(zhì)隔離層的材料為氮化硅、三氧化二鋁、氮化硼中任意一種或其組合體，所述第一電介質(zhì)隔離層的厚度為5nm-20nm，所述第二電介質(zhì)隔離層的厚度為5nm-120nm。

進(jìn)一步的，所述第一電介質(zhì)填充層和第二電介質(zhì)填充層的材料是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氫硅倍半氧烷中任意一種或其組合體。

進(jìn)一步的，所述第一電極、第二電極、第一接地電極、第二接地電極、第三接地電極、第四接地電極的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中任意一種或其組合體。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、采用gsg電極結(jié)構(gòu)可以使光調(diào)制器與微波探針兼容，可以將電壓和微波信號(hào)直接加載到該光調(diào)制器中，使其正常工作，且操作簡(jiǎn)單。

2、本發(fā)明采用了共面行波電極結(jié)構(gòu)，光調(diào)制器的調(diào)制帶寬將不受限于rc常數(shù)，可以大大提高調(diào)制帶寬，又是基于條形光波導(dǎo)，制備相對(duì)較簡(jiǎn)單

3、該gsg電極結(jié)構(gòu)的傳輸線采用石墨烯材料，使整個(gè)光調(diào)制器的尺寸變小，易于集成；

4、本發(fā)明光調(diào)制器波導(dǎo)可以基于soi晶片，制備工藝上可與傳統(tǒng)的soicmos工藝相兼容，易于集成，且較之傳統(tǒng)的行波結(jié)構(gòu)光調(diào)制器，本發(fā)明光調(diào)制器結(jié)構(gòu)無(wú)需嚴(yán)格的相速匹配，即可實(shí)現(xiàn)超寬的調(diào)制帶寬，有望突破200ghz

5、本發(fā)明行波光調(diào)制器可以通過(guò)設(shè)計(jì)特定的石墨烯-金屬接觸面的長(zhǎng)度和寬度和兩層石墨烯傳輸線之間的電介質(zhì)材料和厚度，來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)光調(diào)制器的阻抗值大小，從而實(shí)現(xiàn)行波傳輸線的阻抗匹配，提高調(diào)制效率。

6、本發(fā)明較之石墨烯微帶線行波電極結(jié)構(gòu)，無(wú)需兩個(gè)電極之間的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖的補(bǔ)充說(shuō)明圖；

圖3是本發(fā)明的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中石墨烯微帶線行波電極的等效電路圖；

圖中標(biāo)記：1-襯底層，2-條形光波導(dǎo)，31-第一電介質(zhì)填充層，32-第二電介質(zhì)填充層，4-第一石墨烯帶狀線，51-第一電極，52-第二電極，6-電介質(zhì)隔離層，61-第一電介質(zhì)隔離層，62-第二電介質(zhì)隔離層，7-第二石墨烯帶狀線，8-第三石墨烯帶狀線，91-第一接地電極，92-第二接地電極，93-第三接地電極，94-第四接地電極。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

一種基于石墨烯共面行波電極吸收型光調(diào)制器，包括襯底層1、條形光波導(dǎo)2、電介質(zhì)填充層、電介質(zhì)隔離層6、石墨烯帶狀線和電極，所述石墨烯帶狀線包括第一石墨烯帶狀線4、第二石墨烯帶狀線7和第三石墨烯帶狀線8，所述電介質(zhì)隔離層6包括第一電介質(zhì)隔離層61和第二電介質(zhì)隔離層62，所述條形光波導(dǎo)2上方依次設(shè)置有第一電介質(zhì)隔離層61、第一石墨烯帶狀線4、第二電介質(zhì)隔離層62，所述第二電介質(zhì)隔離層62上設(shè)置有第二石墨烯帶狀線7和第三石墨烯帶狀線8，所述第一石墨烯帶狀線4兩端向兩側(cè)延伸并分別連接第一電極51和第二電極52，所述第二石墨烯帶狀線7一端向側(cè)邊延伸連接第一接地電極91和第二接地電極92，所述第三石墨烯帶狀線8一端向側(cè)邊延伸連接第三接地電極93和第四接地電極94；所述第一接地電極91、第二接地電極92與第一電極51形成gsg(ground-signal-ground)結(jié)構(gòu)，所述第三接地電極93、第四接地電極94與第二電極52形成gsg結(jié)構(gòu)。

所述第一石墨烯帶狀線4、第二石墨烯帶狀線7和第三石墨烯帶狀線8與電極的連接部分為光滑的帶狀曲線。

所述電介質(zhì)填充層包括第一電介質(zhì)填充層31和第二電介質(zhì)填充層32，所述襯底層1上設(shè)置條形光波導(dǎo)2，所述條形光波導(dǎo)2兩側(cè)分別設(shè)置第一電介質(zhì)填充層31與第二電介質(zhì)填充層32。

所述襯底層1的材料為硅、氮化硅中的一種。

所述第一電介質(zhì)隔離層61、第二電介質(zhì)隔離層62的材料為氮化硅、三氧化二鋁、氮化硼中任意一種或其組合體，所述第一電介質(zhì)隔離層61的厚度為5nm-20nm，所述第二電介質(zhì)隔離層62的厚度為5nm-120nm。

所述第一電介質(zhì)填充層31和第二電介質(zhì)填充層32的材料是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氫硅倍半氧烷中任意一種或其組合體。

所述第一電極51、第二電極52、第一接地電極91、第二接地電極92、第三接地電極93、第四接地電極94的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中任意一種或其組合體。

本發(fā)明的工作原理是：光調(diào)制器件工作時(shí)，偏置電壓通過(guò)gsg微波探針加載在gsg電極上，通過(guò)改變電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)諧石墨烯的復(fù)介電常數(shù)，從而影響條形光波導(dǎo)對(duì)光的吸收。有效折射率實(shí)部對(duì)應(yīng)著光信號(hào)的相位變化，而其虛部對(duì)應(yīng)著光信號(hào)的衰減。第一石墨烯微帶線4既作為微波信號(hào)的傳輸線，又作為光信號(hào)的吸收調(diào)控材料，當(dāng)外加偏置電壓工作在某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，使得石墨烯-條形光波導(dǎo)對(duì)光信號(hào)有著較強(qiáng)的吸收，條形光波導(dǎo)幾乎無(wú)光信號(hào)輸出，即為“offstate”；而改變外加偏置電壓工作在另外一個(gè)點(diǎn)時(shí)，使得石墨烯-條形光波導(dǎo)對(duì)光信號(hào)吸收非常小，光信號(hào)從條形光波導(dǎo)輸出，即為“onstate”。因而，通過(guò)調(diào)控石墨烯的光學(xué)特性即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制功能。由于采用了共面行波電極結(jié)構(gòu)，其調(diào)制帶寬不再受限于rc常數(shù)的限制，其調(diào)制帶寬可由如下公式估算:

其中c為真空中的光速度，l為調(diào)制區(qū)域的有效調(diào)制區(qū)域長(zhǎng)度，nm為微波信號(hào)的有效折射率，n0為光波在波導(dǎo)中的有效折射率。石墨烯與光信號(hào)有較強(qiáng)的相互作用，因而只需要較短的石墨烯長(zhǎng)度l即可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的光吸收，即無(wú)需嚴(yán)格的相速匹配，即|nm-n0|無(wú)需非常小的值，即可實(shí)現(xiàn)超寬的調(diào)制帶寬。

下面，結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

具體實(shí)施例

本實(shí)施例基于石墨烯共面行波吸收型光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2和圖3所示。采用波長(zhǎng)為1.55μm的光波，光波從條形光波導(dǎo)2端口接入，條形光波導(dǎo)2的高度和寬度分別為220nm和500nm，采用si材料；第一電介質(zhì)填充層31、第二電介質(zhì)填充層32均為hsq材料；第一電介質(zhì)隔離層61、第二電介質(zhì)隔離層62分別為5nm、20nm厚的sin材料；第一石墨烯帶狀線4、第二石墨烯帶狀線7、第三石墨烯帶狀線8的材料是單層石墨烯，且彼此之間的間距為5μm；覆蓋在條形光波導(dǎo)2表面上的第一石墨烯帶狀線4的寬度為5μm；第一電極51、第二電極52、第一接地電極91、第二接地電極92、第三接地電極93和第四接地電極94的材質(zhì)均為在鈀金屬上鍍上金作為接觸電極；第一石墨烯帶狀線4的兩端分別向條形光波導(dǎo)2的兩側(cè)延伸出來(lái)連接第一電極51和第二電極52，作為微波調(diào)制信號(hào)的接入電極和引出電極；第二石墨烯帶狀線7的一端在第一電極51左右兩側(cè)分別延伸出來(lái)連接第一接地電極91、第二接地電極92，作為接地電極；第一接地電極91、第一電極51、第二接地電極92彼此之間的間距為30μm，共同構(gòu)成gsg電極結(jié)構(gòu)；第三石墨烯帶狀線8的一端在第二電極52左右兩側(cè)分別延伸出來(lái)連接第三接地電極93、第四接地電極94作為接地電極；第三接地電極93、第二電極52、第四接地電極94彼此之間的間距為30μm，共同構(gòu)成gsg電極結(jié)構(gòu)；這兩個(gè)gsg電極結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成共面行波電極結(jié)構(gòu)。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯微帶線行波電極的等效電路圖。石墨烯與金屬電極之間有歐姆接觸電阻rc，第一石墨烯微帶線5的寬度為5μm，第一石墨烯微帶線5和第二石墨烯微帶線6之間的電介質(zhì)層92的厚度為20nm，根據(jù)微帶線行波傳輸線模型，第一石墨烯微帶線5和第二石墨烯微帶線6構(gòu)成的行波傳輸線特征阻抗z0≈3ω，而整個(gè)調(diào)制器總的阻抗值是由石墨烯與金屬電極之間的歐姆接觸電阻和行波傳輸線特征阻抗一起構(gòu)成的，為達(dá)到阻抗匹配，減小微波反射，整個(gè)調(diào)制器總的阻抗值應(yīng)當(dāng)接近50ω。石墨烯與金屬電極之間的歐姆接觸電阻rc值大小，是與石墨烯與金屬的良好接觸密切相關(guān)，而且有石墨烯-金屬接觸面越寬，其歐姆接觸電阻rc值越小，可由公式rc＝rg-m/w估算，其中rg-m是石墨烯與金屬的接觸電阻，其值大小一般在100-3000ω·μm范圍變化，與石墨烯材料的質(zhì)量有關(guān)，w是石墨烯-金屬的接觸面寬度，因而我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的石墨烯-金屬的接觸面的寬度來(lái)設(shè)計(jì)合理的rc值的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，提高調(diào)制效率。

從式(1)可知，當(dāng)l＝250μm，即使微波與光波之間的有效折射率差值為2，該光調(diào)制器的3db調(diào)制帶寬可高達(dá)267.2ghz。而微波與光波之間的有效折射率差值可根據(jù)絕緣層材料的選取而進(jìn)一步縮小，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)與光波信號(hào)的速度匹配，所以可以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制帶寬。

如上所述即為本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下做出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。