一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調制器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電技術領域，具體公開了一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調制 器。
【背景技術】
[0002] 光調制器是光通信系統(tǒng)的基礎部件，其功能是改變通過光調制器的光載波的強 度、相位、偏振等特性，將電信號加載到光載波上。傳統(tǒng)的光調制器有基于等離子色散效應 的Si基光調制器、基于Pockels效應的鈮酸鋰和聚合物光調制器、基于F-K效應或量子限 制Stark效應的InP基光調制器。但傳統(tǒng)的光調制器受自身材料特性的限制，Si基光調制 器和鈮酸鋰光調制器的調制速率已達到瓶頸，突破40GHz極為困難，且器件體積較大、調制 電壓較高；聚合物光調制器的熱和化學穩(wěn)定性較差；InP基光調制器工藝復雜、成本高，且 有較大的啁嗽。
[0003] 石墨烯是一種蜂窩形的二維六方碳結構材料，是一種新型的材料，在未來可以用 它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導體材料。它在室溫下具有200, OOOcmVVs的載流子迀移率，大約是硅 材料的載流子迀移率1〇〇倍以上，意味著基于石墨烯的電子器件可以在超高速率下工作， 理論工作速率可以達到500GHz。石墨烯在外加電壓下，光導率也會隨之發(fā)生變化，從而改變 其折射率和吸收率，同時，石墨烯具有的零帶隙結構，使它可以在非常寬的光波長范圍內發(fā) 揮作用。另外，在工藝方面，石墨烯與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，易于集成。這些特殊的光電特 性使得石墨烯在高速光電子集成器件方面有著廣泛的潛在應用。
[0004] 基于石墨烯材料的光學調制器已經得到廣泛的研究，都是基于在傳統(tǒng)的SOI光 波導中水平鋪設石墨烯層，將偏置電壓施加在石墨烯層上，以改變石墨烯本身的復折射率 來改變波導對入射光的折射率或吸收率，從而達到對入射光的相位或振幅的調制（見文 南犬 Ming Liu, Xiaobo Yin, Ulin-Avila, E,BaisongGeng, Zentgraf T, Long Ju, Feng Wang, Xiang Zhang. A graphene-based broadband optical modulator. Nature, 2011， Vol 474， p64_67 和 Gosciniak Jacek， Tan Dawn TH. Theoretical investigation of graphene-based photonic modulators. Scientific Reports, 2013， Vol 3)〇
[0005] 這種將石墨烯層水平鋪設于光波導的表面或中間，例如申請?zhí)枮?01410370459. 0 的發(fā)明專利公開了一種基于石墨烯的偏振不敏感光調制器：包括基板、石墨烯水平嵌入的 第一石墨烯脊形波導和石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波導，第一石墨烯脊形波導和第 二石墨烯脊形波導均位于基板上，第一石墨烯脊形波導中嵌入的石墨烯和第二石墨烯脊形 波導中嵌入的石墨烯相互垂直；第一石墨烯脊形波導從上到下依次包括第一脊部、第一水 平嵌入石墨烯層、第二水平嵌入石墨烯層和第二脊部，第一脊部與第一水平嵌入石墨烯層 被第一隔離介質層隔離，第一水平嵌入石墨烯層與第二水平嵌入石墨烯層被第二隔離介質 層隔離，第二水平嵌入石墨烯層與第二脊部被第三隔離介質層隔離；第二石墨烯脊形波導 從左到右依次包括第三脊部、第一垂直嵌入石墨烯層、第二垂直嵌入石墨烯層和第四脊部， 第三脊部與第一垂直嵌入石墨烯層被第四隔離介質層隔離，第一垂直嵌入石墨烯層與第二 垂直嵌入石墨烯層被第五隔離介質層隔離，第二垂直嵌入石墨烯層與第四脊部被第六隔離 介質層隔離；基板包括半導體襯底層和位于半導體襯底層上表面的絕緣層，第一石墨烯脊 形波導和第二石墨烯脊形波導位于絕緣層上。
[0006] 又如申請?zhí)枮?01310431112. 8的發(fā)明專利公開了一種新型的石墨烯電光調制器 結構，，包括石墨烯脊型光波導、硅層和二氧化硅基片，二氧化硅基片上沉積硅層，再在硅層 上平行設置兩條石墨烯脊型光波導；石墨烯脊型光波導由兩層厚度相等的硅波導層和二氧 化硅基片構成，硅波導層制作在二氧化硅基片上，硅波導層間區(qū)域設有兩層石墨烯層和三 層氧化鋁隔離層，從上而下的順序為氧化鋁隔離層、石墨烯層、氧化鋁隔離層、石墨烯層、氧 化鋁隔離層。
[0007] 申請?zhí)枮?01410163464. 4的發(fā)明專利公開了一種具有四層石墨烯結構的光調制 器，包括一個SOI光波導，SOI光波導包括絕緣層位于絕緣層下表面的半導體襯底層和位 于絕緣層上表面的半導體光波導層；半導體光波導層上方具有相互重疊的第一脊部和第二 脊部，第一脊部和第二脊部的材料與半導體光波導層的材料相同；在半導體光波導層與第 一脊部之間具有第一石墨烯層和第二石墨烯層，第一石墨烯層與半導體光波導層之間具有 第一隔離介質層，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間具有第二隔離介質層，第二石墨烯層 與第一脊部之間具有第三隔離介質層；在第一脊部與第二脊部之間具有第三石墨烯層和第 四石墨烯層，第三石墨烯層與第一脊部之間具有第四隔離介質層，第三石墨烯層和第四石 墨烯層之間具有第五隔離介質層，第四石墨烯層與第二脊部之間具有第六隔離介質層；第 一脊部和第二脊部的前后兩個共同的端面分別作為光調制器的光輸入、輸出端；第一石墨 烯層和第二石墨烯層中，一層石墨烯從第一脊部和第二脊部共同的一個側面延伸出，另一 層石墨烯從第一脊部和第二脊部共同的另一個側面延伸出；第三石墨烯層和第四石墨烯層 中，一層石墨烯從第一脊部和第二脊部共同的一個側面延伸出，另一層石墨烯從第一脊部 和第二脊部共同的另一個側面延伸出；從第一脊部和第二脊部共同的一個側面延伸出的兩 層石墨烯采用第一金屬電極互連，從第一脊部和第二脊部共同的另一個側面延伸出的兩層 石墨烯采用第二金屬電極互連。
[0008] 正如上面講述的現有石墨烯層水平鋪設于光波導的表面或中間，雖然制作工藝相 對較簡單，但基于這種結構的石墨烯調制器都存在一個共同的缺點，就是對入射光的偏振 方向敏感，只能對特定偏振方向的光波產生有效地調制，即都是偏振相關的，限制了這種光 調制器的使用范圍，本領域技術人員亟需解決該技術問題。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明為了解決現有石墨烯光調制器存在的只能對特定偏振方向的光波產生有 效地的調制而導致的使用范圍窄的問題，而提供一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調制 器，對TE，TM模都有著較大的吸收，且通過合理設計波導結構的尺寸，可以使TE、TM模的光 吸收系數十分接近，起到同時對TE、TM模光進行有效調制，解決了目前石墨烯光調制器對 入射光波偏振方向敏感的技術難題，具有使用范圍廣的特點。
[0010] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是： 一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調制器，包括光波導基底層，所述光波導基底層 的上方設置有電介質層，其特征在于，所述電介質層的上方設置有D形波導層，所述D形波 導層的外圍包覆有第二弧形石墨烯層，所述第二弧形石墨烯層的外圍包覆有第一弧形石墨 烯層，所述第一弧形石墨烯層的外圍包覆有矩形波導層，所述矩形波導層與第一弧形石墨 烯層之間、第一弧形石墨烯層與第二弧形石墨烯層之間以及第二弧形石墨烯層與D形波導 層之間均設置有隔離介質層；所述第一弧形石墨烯層從D形波導層的一側延伸出來并連接 有第一電極，所述第二弧形石墨烯層從D形波導層的另一側延伸出來并連接有第二電極。
[0011] 所述D形波導層的底面為平面并設置在電介質層上，所述D形波導層的上表面為 弧形面，所述第二弧形石墨烯層和第一弧形石墨烯層依次包覆在D形波導層的弧形面上。
[0012] 所述第一弧形石墨烯層與第二弧形石墨烯層之間的間距為5nm - 100nm。
[0013] 所述D形波導層和矩形波導層的材質相同，所述D形波導層的材質為硅、鍺、鍺硅 合金、III-V族半導體或II-IV族半導體。
[0014] 所述隔離介質層由絕緣材料制成，所述隔離介質層的材質為硅氧化物、硅氮氧化 物或硼氮化物。
[0015] 所述電介質層為半導體氧化物，所述電介質層的折射率小于光波導基層、D形波導 層和矩形波導層的折射率。
[0016] 所述第一電極和第二電極的材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷或鈀。
[0017] 與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明的基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調制器，在光波導中加入一段弧形的石墨烯 層，對TE，TM模都有著較大的吸收，且通過合理設計波導結構的尺寸，可以使TE、TM模的光 吸收系數十分接近，起到同時對TE、TM模光進行有效調制，解決了目前石墨烯光調制器對 入射光波偏振方向敏感的技術難題。
[0018] 在光波導中加入一段弧形的石墨烯層且內嵌于光波導，相對于水平鋪設結構，石 墨烯與光場有著更大的有效相互作用面積和更充分的相互作用，因此較小