一種基于石墨烯的定向耦合器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于石墨烯的定向耦合器，屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，其包括第一載條波導(dǎo)、第二載條波導(dǎo)、絕緣層、半導(dǎo)體襯底層，絕緣層位于半導(dǎo)體襯底層的上表面，所述第一載條波導(dǎo)與第二載條波導(dǎo)相互平行且都位于共同的絕緣層上，第一載條波導(dǎo)與第二載條波導(dǎo)之間從左到右依次填充有第一介質(zhì)層、石墨烯介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；所述石墨烯介質(zhì)層至少由三層相互平行的石墨烯層構(gòu)成。本發(fā)明具有高度對(duì)稱性，兩波導(dǎo)之間具有高度的相位匹配，所以在合理的波導(dǎo)長(zhǎng)度下，輸出端可以達(dá)到很高的消光比；因此利用此性質(zhì)制作的光強(qiáng)度調(diào)制器及光開(kāi)關(guān)等器件具有高速，寬帶，低功耗，體積小的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種基于石墨烯的定向耦合器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高速、寬帶、低功耗的新型基于石墨烯的定向I禹合器。

【背景技術(shù)】
[0002]定向耦合器是集成光學(xué)中的一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。其原理是當(dāng)兩高折射率波導(dǎo)相距很近的時(shí)候，因?yàn)橘渴挪ǖ淖饔?，?huì)發(fā)生兩波導(dǎo)之間的功率交換，從量子力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，可以將波導(dǎo)間的低折射率介質(zhì)視為勢(shì)壘，兩波導(dǎo)的功率交換即為一種光子隧穿效應(yīng)。定向耦合器具有方向性的功率分配器，它能從主傳輸系統(tǒng)的正向波中按一定比例分出部分功率，并基本上不從反向波中分出功率。因此利用定向耦合器可以對(duì)主傳輸系統(tǒng)中的入射波和反射波分別進(jìn)行取樣。因而定向耦合器結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在波導(dǎo)間耦合、濾波、偏振選擇、調(diào)制、光開(kāi)關(guān)以及激光器等方面。
[0003]定向耦合器的工作原理圖，如圖1所示，定向耦合器可等效為四端口網(wǎng)絡(luò)，包括兩個(gè)主線端口:射頻信號(hào)輸入端與射頻信號(hào)輸出端，兩個(gè)副線端口:射頻信號(hào)耦合端與射頻信號(hào)隔離端。兩線間通過(guò)電容耦合，當(dāng)功率由端口射頻信號(hào)輸入端輸入時(shí)，一部分功率從直通射頻信號(hào)輸出端輸出；還有一部分功率耦合到副線中，利用各分波的場(chǎng)矢量疊加，使射頻信號(hào)耦合端形成耦合端口，而射頻信號(hào)隔離端場(chǎng)矢量反向抵消形成隔離端口。通過(guò)合理選擇耦合結(jié)構(gòu)及耦合尺寸可使定向耦合器的耦合度、隔離度、輸入駐波比、頻帶寬度等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到所需要求。耦合度是指為輸入端的輸入功率與耦合端的輸出功率之比，通過(guò)合理選擇耦合結(jié)構(gòu)及耦合尺寸可使定向耦合器的耦合度、隔離度、輸入駐波比、頻帶寬度等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到所需要求。耦合度是指為輸入端的輸入功率與耦合端的輸出功率之比；而隔離度是指輸入端的輸入功率與隔離端的輸出功率之比；方向性是指耦合端的輸出功率與隔離端的輸出功率之比；輸入駐波比是指其余三端口均接匹配負(fù)載時(shí)輸入端口的駐波比，頻帶寬度是指耦合度、隔離度、輸入駐波比均滿足要求時(shí)的定向耦合器的工作頻帶寬度。
[0004]石墨烯是近年來(lái)得到廣泛關(guān)注的一種新型二維六方碳納米材料，它的一些性質(zhì)在光電子器件上有著很大的應(yīng)用前景。其特有的零帶隙結(jié)構(gòu)，可以影響很寬的波段的光，有著優(yōu)良的寬帶特性，并且石墨烯在室溫下具有大約200，OOOcmVVs的電子遷移率，是硅的100倍以上，目前已知的電子遷移率最高的材料。同時(shí)，在偏置電壓的作用下，石墨烯的光導(dǎo)率會(huì)有顯著的改變，因此可以有效利用在調(diào)制器，激光器等光電子器件上。
[0005]關(guān)于石墨烯在定向耦合器中的應(yīng)用也已有研究。在定向耦合器兩平行波導(dǎo)之間插入的石墨烯層，可以有效地干擾其間的功率耦合過(guò)程，使耦合系數(shù)發(fā)生變化，從而影響光功率的率禹合長(zhǎng)度。(見(jiàn)文獻(xiàn) Andrea Locatelli, Anton1-Daniele Capobianco, GianfrancoNalesso， Stefano Boscolo， MicheleMidr1c, Costantino De Angelis， Graphene-basedelectro-optical control of the beat length of dielectric couplers， OpticsCommunicat1ns 318 (2014) 175 - 179)。利用這種性質(zhì)，在石墨烯層上加載電極調(diào)諧其光導(dǎo)率，即可對(duì)定向耦合器的耦合長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)制，從而可以制作包括光調(diào)制器，光開(kāi)關(guān)在內(nèi)的一系列光器件。采用此結(jié)構(gòu)的光器件，具有高速，寬帶，低功耗，體積小的特點(diǎn)，并可以與CMOS工藝相兼容，有著廣泛的應(yīng)用潛力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于如何提供一種具有高速、寬帶寬、低功耗的并可以與CMOS工藝相兼容的新型基于石墨烯的定向耦合器。
[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于石墨烯的定向稱合器，包括第一載條波導(dǎo)、第二載條波導(dǎo)、絕緣層、半導(dǎo)體襯底層，絕緣層位于半導(dǎo)體襯底層的上表面，其特征在于，所述第一載條波導(dǎo)與第二載條波導(dǎo)相互平行且都位于共同的絕緣層上，第一載條波導(dǎo)與第二載條波導(dǎo)之間從左到右依次填充有第一介質(zhì)層、石墨烯介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；所述石墨烯介質(zhì)層至少由三層相互平行的石墨烯層構(gòu)成，所述石墨烯層全部或者部分重疊。
[0008]在本發(fā)明中，所述石墨烯介質(zhì)層主要由第一石墨烯層、第一隔離層、第二石墨烯層、第二隔離層和第三石墨烯層構(gòu)成，第一石墨烯層與第二石墨烯層被第一隔離層隔離分開(kāi)，第二石墨烯層和第三石墨烯層被第二隔離層隔離分開(kāi)。
[0009]在本發(fā)明中，石墨烯介質(zhì)層垂直嵌入第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層間。
[0010]在本發(fā)明中，石墨烯的介質(zhì)層位于兩段平行波導(dǎo)間隔的中心位置，即到第一載條波導(dǎo)的右側(cè)平面及第二載條波導(dǎo)的左側(cè)平面的距離相等。
[0011 ] 在本發(fā)明中，所述第一石墨烯層和第三石墨烯層能從石墨烯介質(zhì)層上表面延伸出來(lái)，連接電極。
[0012]在本發(fā)明中，半導(dǎo)體襯底層、第一載條波導(dǎo)、第二載條波導(dǎo)材料為硅、鍺、鍺硅合金、II1-V族半導(dǎo)體或I1-1V族半導(dǎo)體。
[0013]在本發(fā)明中，所述絕緣層、第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層以及在石墨烯介質(zhì)層中的第一隔離層、第二隔離層均為半導(dǎo)體氧化物構(gòu)成，其折射率顯著小于第一載條波導(dǎo)、第二載條波導(dǎo)以及半導(dǎo)體襯底層的折射率。
[0014]在本發(fā)明中，所述半導(dǎo)體氧化物為硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
[0015]本發(fā)明的工作原理為:
器件工作時(shí)，偏置電壓施加在垂直嵌入兩波導(dǎo)之間的石墨烯層上，通過(guò)改變石墨烯上的偏置電壓，動(dòng)態(tài)的改變其光導(dǎo)率，從而使石墨烯層的折射率和吸收率隨之發(fā)生變化。定向耦合器的功率耦合是基于光子隧穿效應(yīng)這一物理現(xiàn)象的，在兩平行波導(dǎo)之間加入了折射率可隨偏置電壓變化的石墨烯層，就使光子隧穿效應(yīng)中的勢(shì)壘高度變的可調(diào)諧，耦合長(zhǎng)度也隨之發(fā)生改變。由此，定向耦合器其中一個(gè)輸出端的輸出光功率可以在偏置電壓的調(diào)制下，產(chǎn)生從低到高的變化，而另一個(gè)輸出端的輸出光功率，則有從高到低的相反的變化。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明具有高度對(duì)稱性，兩波導(dǎo)之間具有高度的相位匹配，所以在合理的波導(dǎo)長(zhǎng)度下，輸出端可以達(dá)到很高的消光比；因此利用此性質(zhì)制作的光強(qiáng)度調(diào)制器及光開(kāi)關(guān)等器件具有高速，寬帶，低功耗，體積小的特點(diǎn)，并可以與CMOS工藝相兼容，因而有著廣泛的應(yīng)用潛力。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是現(xiàn)有定向耦合器的工作原理圖；
圖2是本發(fā)明提供的基于石墨烯的定向耦合器的有源區(qū)示意圖；
圖3是本發(fā)明提供的基于石墨烯的定向耦合器的波導(dǎo)橫截面示意圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的對(duì)稱模及不對(duì)稱模模場(chǎng)分布示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的對(duì)稱模及不對(duì)稱模傳播常數(shù)、波導(dǎo)耦合長(zhǎng)度隨偏置電壓變化的不意圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視的功率分布圖；
附圖標(biāo)記為:11為第一載條波導(dǎo)、12為第一介質(zhì)層、13為石墨烯介質(zhì)層、131為第一石墨烯層、132為第一隔離層、133為第二石墨烯層、134為第二隔離層、135為第三石墨烯層、14為第二介質(zhì)層、15為第二載條波導(dǎo)、16為絕緣層、17為半導(dǎo)體襯底層。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0019]—種基于石墨烯的定向稱合器，包括第一載條波導(dǎo)11、第二載條波導(dǎo)15、絕緣層16、半導(dǎo)體襯底層17，絕緣層16位于半導(dǎo)體襯底層17的上表面，所述第一載條波導(dǎo)11與第二載條波導(dǎo)15相互平行且都位于共同的絕緣層16上，第一載條波導(dǎo)11與第二載條波導(dǎo)15之間從左到右依次填充有第一介質(zhì)層12、石墨烯介質(zhì)層13和第二介質(zhì)層14 ;所述石墨烯介質(zhì)層13至少由三層相互平行的石墨烯層構(gòu)成，所述石墨烯層全部或者部分重疊；所述石墨烯介質(zhì)層13主要由第一石墨烯層131、第一隔離層、第二石墨烯層133、第二隔離層134和第三石墨烯層135構(gòu)成，第一石墨烯層131與第二石墨烯層133被第一隔離層132隔離分開(kāi)，第二石墨烯層133和第三石墨烯層135被第二隔離層134隔離分開(kāi)。
實(shí)施例
[0020]如圖2、圖3所不,本實(shí)施例米用波長(zhǎng)為1.55 μ m的光波,半導(dǎo)體襯底層17,第一載條波導(dǎo)和第二載條波導(dǎo)由硅(Si)材料構(gòu)成(折射率3.47);第一、第二載條波導(dǎo)寬度均為
0.4 μ m,厚度均為0.24 μ m ;絕緣層16,第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層,第一隔離層和第二隔離層由二氧化硅(Si02)構(gòu)成(折射率1.44);第一載條波導(dǎo)右側(cè)平面與第二載條波導(dǎo)左側(cè)平面間距，即第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層、石墨烯介質(zhì)層的總寬度為0.1 μ m，其中石墨烯層厚度
0.7nm,相鄰兩石墨烯間距7nm。第一載條波導(dǎo)、第二載條波導(dǎo)之間的第一介質(zhì)層、為石墨烯介質(zhì)層、第二介質(zhì)層與載條波導(dǎo)等高；石墨烯介質(zhì)層垂直嵌入在兩平行波導(dǎo)側(cè)平面之間的中間位置，且其中包括的石墨烯層亦沿兩平行波導(dǎo)側(cè)平面中心位置對(duì)稱，石墨烯層即放置在此中心位置。第一石墨烯層、第三石墨烯層從上方延伸出去連接電極。
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中，采用COMSOL Multiphysics軟件模擬仿真得到的定向稱合波導(dǎo)中TE模的對(duì)稱模(even supermode)及不對(duì)稱模(odd supermode)在偏置電壓為
0.4eV下的模場(chǎng)分布圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中，定向I禹合波導(dǎo)中TE模的對(duì)稱模(even supermode)及不對(duì)稱模(odd supermode)的傳播常數(shù)，以及定向耦合波導(dǎo)的耦合長(zhǎng)度隨偏置電壓變化的示意圖。對(duì)稱模(even supermode)、不對(duì)稱模(odd supermode)及稱合長(zhǎng)度之間應(yīng)服從關(guān)系:L = 31 / ( β even-β odd)?？梢钥吹?，在偏置電壓0.5eV到0.53eV范圍內(nèi)，耦合長(zhǎng)度有著最大的變化，因此將工作電壓控制在0.5eV到0.53eV之間。
[0023]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中，利用有效折射率的方法得到的定向耦合波導(dǎo)俯視的功率分布不意圖，表明了本實(shí)施例中的功率稱合情況。圖中所不的稱合長(zhǎng)度為6 μ m。結(jié)合圖
4、圖5，以上端口為輸入端口、輸出端口的情況下，以0.5eV為“關(guān)”狀態(tài)，0.53eV為“開(kāi)”狀態(tài)，波導(dǎo)長(zhǎng)度為70.68 μ m下，消光比達(dá)到24dB。
[0024]以上內(nèi)容僅為結(jié)合具體方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的一些詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定發(fā)明的具體實(shí)施只限于這些說(shuō)明。對(duì)本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思前提下，還可以做出簡(jiǎn)單的推演及替換，都應(yīng)當(dāng)視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯的定向稱合器，包括第一載條波導(dǎo)(11)、第二載條波導(dǎo)(15)、絕緣層(16)、半導(dǎo)體襯底層(17)，絕緣層(16)位于半導(dǎo)體襯底層(17)的上表面，其特征在于，所述第一載條波導(dǎo)(11)與第二載條波導(dǎo)(15)相互平行且都位于共同的絕緣層(16)上，第一載條波導(dǎo)(11)與第二載條波導(dǎo)(15)之間從左到右依次填充有第一介質(zhì)層(12)、石墨烯介質(zhì)層(13)和第二介質(zhì)層(14);所述石墨烯介質(zhì)層(13)至少由三層相互平行的石墨烯層構(gòu)成，所述石墨烯層全部或者部分重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述石墨烯介質(zhì)層(13)主要由第一石墨烯層(131)、第一隔離層、第二石墨烯層(133)、第二隔離層(134)和第三石墨烯層(135)構(gòu)成，第一石墨烯層(131)與第二石墨烯層(133)被第一隔離層(132)隔離分開(kāi)，第二石墨烯層和第三石墨烯層(135)被第二隔離層(134)隔離分開(kāi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，石墨烯介質(zhì)層(13)垂直嵌入第一介質(zhì)層(12)和第二介質(zhì)層(14)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，石墨烯的介質(zhì)層(13)位于兩段平行波導(dǎo)間隔的中心位置，即到第一載條波導(dǎo)(11)的右側(cè)平面及第二載條波導(dǎo)(15)的左側(cè)平面的距離相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述第一石墨烯層(131)和第三石墨烯層(135)從石墨烯介質(zhì)層上表面延伸出來(lái)連接電極。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，半導(dǎo)體襯底層(17)、第一載條波導(dǎo)(11)、第二載條波導(dǎo)(15)材料為硅、鍺、鍺硅合金、II1-V族半導(dǎo)體或I1-1V族半導(dǎo)體。
7.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述絕緣層(16)、第一介質(zhì)層(12)、第二介質(zhì)層(14)以及在石墨烯介質(zhì)層(13)中的第一隔離層(132)、第二隔離層(134)均為半導(dǎo)體氧化物構(gòu)成，其折射率顯著小于第一載條波導(dǎo)(11 )、第二載條波導(dǎo)(15)以及半導(dǎo)體襯底層(17)的折射率。
8.據(jù)權(quán)利要求7所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述半導(dǎo)體氧化物為硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
【文檔編號(hào)】H01P5/18GK104078739SQ201410363980
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】劉永, 王子帥, 葉勝威, 陳冬松, 閆世森, 艾元, 陸榮國(guó) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)