石墨烯的低折射率差波导调制器及制备方法
【专利摘要】一种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，包括：一衬底；一下包层，其制作在衬底上；一波导芯层，其制作在下包层上的中间部位，形成脊形结构；一ITO透明电极，其制作在波导芯层上及两侧，并覆盖暴露的下包层的上表面；一下绝缘介质层，其制作在ITO下电极的表面，该脊形结构的一侧，该绝缘介质层为断开状，形成一窗口；一单层石墨烯薄膜，其制作在下绝缘介质层上；一金属电极，其制作在脊形结构一侧，远离窗口的另一侧的单层石墨烯薄膜上，该金属电极与脊形结构有一预定距离，该距离大于800nm；一上绝缘介质层，其制作在脊形结构上的单层石墨烯薄膜上；一高折射率氧化硅层，其制作在上绝缘介质层上。本发明具有体积小、调制带宽宽、插入损耗小和制备工艺简单的优点。
【专利说明】石墨烯的低折射率差波导调制器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体【技术领域】，特别是一种石墨烯的低折射率差波导调制器及制备方法。
【背景技术】
[0002]光纤通信技术是现代通信的主要形式，有着高速，低损，宽频，可靠性高等特性。光调制器在光纤通信中对光信号的调制起着至关重要的作用，光调制技术的作用是将比特信号加载到光波上，通过连续的开关作用产生受调制的光脉冲，它是通过电压或电场的变化来调控输出光的吸收率、折射率、相位或振幅的器件。它依据各种不同形式的电光、声光、磁光效应、量子阱Stark效应和载流子色散效应等，调控光发射机发出的光信号的振幅和状态，再进入光纤进行传播。按其调制机理可以分为电光调制，声光调制，磁光调制和电吸收调制。
[0003]在未来的光通信中集成化，高速化，小型化的光调制器是必不可少的。目前，传统的硅基电吸收调制器由于较弱的电光特性尺寸较大；锗与其他化合物半导体调制器难于硅基集成；它们的调制光谱范围通常比较窄。
[0004]石墨烯是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，由于其零带隙可以吸收很宽频率范围的光，加之其高迁移率等特性，在光调制器上可以充分发挥其优势。单层石墨厚度只有约0.335nm，对光的吸收有限，波导结构可以通过增加波导长度来增加光吸收，是增强光吸收的有效装置之一，因此结合两者可以得到低插入损耗，高消光比的硅基集成电吸收调制器。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供了一种石墨烯吸收的氧化硅低折射率差波导调制器及制备方法，具有电光调制器体积小、调制带宽宽、插入损耗小，微米量级尺寸波导制备工艺相比于硅纳米波导要简单，可以得到更大的消光比等优点。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供一种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，包括:
[0007]一衬底；
[0008]一下包层，其制作在衬底上；
[0009]一波导芯层，其制作在下包层上的中间部位，形成脊形结构；
[0010]一 ITO透明电极，其制作在波导芯层上及两侧，并覆盖暴露的下包层的上表面；
[0011]一下绝缘介质层，其制作在ITO下电极的表面，该脊形结构的一侧，该绝缘介质层为断开状，形成一窗口 ；
[0012]—单层石墨烯薄膜,其制作在下绝缘介质层上；
[0013]一金属电极，其制作在脊形结构一侧，远离窗口的另一侧的单层石墨烯薄膜上，该金属电极与脊形结构有一预定距离，该距离大于SOOnm:[0014]一上绝缘介质层，其制作在脊形结构上的单层石墨烯薄膜上；
[0015]一高折射率氧化硅层，其制作在上绝缘介质层上。
[0016]本发明还提供一种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，包括如下步骤:
[0017]步骤1:在一衬底上，生长一下包层；
[0018]步骤2:在下包层上，生长一波导芯层；
[0019]步骤3:采用刻蚀的方法，去掉波导芯层两侧的部分，形成脊形结构；
[0020]步骤4:在波导芯层上及两侧生长一 ITO透明电极，该ITO透明电极并覆盖暴露的下包层的上表面；
[0021]步骤5:在ITO下电极的表面，生长一下绝缘介质层；
[0022]步骤6:采用刻蚀的方法，在脊形结构的一侧刻蚀绝下缘介质层，形成窗口 ；
[0023]步骤7:在下绝缘介质层上，转移一单层石墨烯薄膜；
[0024]步骤8:在单层石墨烯薄膜上，远离窗口的另一侧生长一金属电极，该金属电极与脊形结构有一预定距离，该距离大于800nm ；
[0025]步骤9:在脊形结构上的单层石墨烯薄膜上，生长一上绝缘介质层；
[0026]步骤10:在上绝缘介质层生长一高折射率氧化硅层，完成制备。
[0027]从技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0028]1、本发明提供的这种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，相比于传统铌酸锂材料的光调制器，可以达到更小的尺寸，由于石墨烯从可见光到红外光的宽谱光吸收，可以使该调制器的光谱设计自由度大大提高。
[0029]3、本发明提供的这种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，将波导与石墨烯集成，光水平耦合到器件当中，低折射率差波导尺寸与光纤纤芯直径尺寸相当，这使得器件有低的插入损耗，较大的测试对准容差；同时波导结构增加了石墨烯对光的吸收，有效提高调制深度。
[0030]2、本发明提供的这种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，采用低折射率差的氧化硅波导，本发明中单模传输的芯层尺寸比硅波导大，制作工艺简单，易于硅基集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0032]图1是依照本发明实施例的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的剖面示意图；
[0033]图2是依照本发明实施例的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器剖面光场分布图；
[0034]图3是依照本发明实施例的制备石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的方法流程图。
【具体实施方式】
[0035]请参阅图1所示，本发明提供一种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，包括:
[0036]一衬底1，衬底I采用单晶硅，易于与其他硅基器件集成；[0037]—下包层2，其制作在衬底I上，所述下包层2的材料为低折射率的氧化硅，其折射率为1.445，厚度为15-20微米，下包层2用来阻止波导芯层的光场向衬底泄漏；
[0038]一波导芯层3，其制作在下包层2上的中间部位，形成脊形结构，宽度为6微米；
[0039]一 ITO透明电极4，其制作在波导芯层3上及两侧，并覆盖暴露的下包层2的上表面，所述ITO透明电极4的材料为铟锡氧化物，其厚度满足nd= (2m+l) λ，其中，n为折射率，d为厚度，m为整数常数，λ为入射光波长；
[0040]一下绝缘介质层5，其制作在ITO下电极4的表面，该脊形结构的一侧，该绝缘介质层5为断开状，形成一窗口 51，所述下绝缘介质层5的材料为六方氮化硼、Al2O3或Ta2O3,厚度为715nm，采用与石墨烯晶格结构相似的绝缘介质层，可以减小石墨烯中弓丨入的缺陷数量，保证石墨烯的完整性，采用介电常数大的绝缘介质材料，可以降低器件的调制电压，降低功耗；
[0041]—单层石墨烯薄膜6,其制作在绝缘介质层5上；
[0042]一金属电极7，其制作在脊形结构一侧，远离窗口 51的另一侧的单层石墨烯薄膜6上，为防止金属电极影响波导芯层中的光场模式，使该金属电极7与脊形结构有一预定距离，该距离大于800nm,所述金属电极7的材料为金属Pd、Pt、T1、Cu或Al,或及其组合；
[0043]一上绝缘介质层8，其制作在脊形结构上的单层石墨烯薄膜6上，所述上绝缘介质层8的材料为六方氮化硼、Al2O3或Ta2O3，厚度为7 — 15nm，采用与石墨烯晶格结构相似的绝缘介质层，可以减小石墨烯中引入的缺陷数量，保证石墨烯的完整性，采用介电常数大的绝缘介质材料，可以降低器件的调制电压，降低功耗；
[0044]—高折射率氧化硅层9，其制作在上绝缘介质层8上，宽度为6微米。
[0045]其中所述波导芯层3和氧化硅层9的材料为高折射率氧化硅，其折射率为1.4558，波导芯层3和氧化硅层9的厚度之和为4微米。
[0046]参阅图2,显不1550nm的单模光在图1所不波导结构中传输时,光场分布的剖面不意图。
[0047]请参阅图3所示，并结合参阅图1，本发明提供一种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，包括如下步骤:
[0048]步骤1:在一衬底I上，生长一下包层2，所述下包层2的材料为低折射率的氧化硅，其折射率为1.445，厚度为1520微米，下包层氧化硅防止光场从波导芯层向衬底层泄漏；
[0049]步骤2:在下包层2上，生长一波导芯层3 ；
[0050]步骤3:采用刻蚀的方法，去掉波导芯层3两侧的部分，形成脊形结构，宽度为6微米;
[0051]步骤4:在波导芯层3上及两侧生长一 ITO透明电极4，该ITO透明电极4并覆盖暴露的下包层2的上表面，所述ITO透明电极4的材料为铟锡氧化物，其厚度满足nd=(2m+l)入，其中，η为折射率，d为厚度，m为整数常数，λ为入射光波长；
[0052]步骤5:在ITO下电极4的表面，生长一下绝缘介质层5，所述下绝缘介质层5的材料为六方氮化硼、Al2O3或Ta2O3，厚度为7-10nm，所述下绝缘介质层5采用与石墨烯晶格结构相似的绝缘介质层，可以减小石墨烯中引入的缺陷数量，保证石墨烯的完整性，采用介电常数大的绝缘介质材料，可以降低器件的调制电压，降低功耗；[0053]步骤6:采用刻蚀的方法，在脊形结构的一侧刻蚀绝缘介质层5，形成窗口 51 ；
[0054]步骤7:在下绝缘介质层5上，转移一单层石墨烯薄膜6，单层石墨烯薄膜采用化学气相沉积方法生长在铜箔基底上和微机械剥离方法制备得到，并后续转移到绝缘介质层5上；
[0055]步骤8:在单层石墨烯薄膜6上，远离窗口 51的另一侧生长一金属电极7，该金属电极7与脊形结构有一预定距离，该距离大于800nm，所述金属电极7的材料为金属Pd、Pt、T1、Cu或Al,或及其组合；
[0056]步骤9:在脊形结构上的单层石墨烯薄膜6上，生长一上绝缘介质层8，所述上绝缘介质层8的材料为六方氮化硼、Al2O3或Ta2O3,厚度为7—15nm,采用与石墨烯晶格结构相似的绝缘介质层，可以减小石墨烯中引入的缺陷数量，保证石墨烯的完整性，采用介电常数大的绝缘介质材料，可以降低器件的调制电压，降低功耗；
[0057]步骤10:在上绝缘介质层8生长一高折射率氧化硅层9，完成制备。
[0058]其中所述波导芯层3和氧化硅层9的材料为高折射率氧化硅，其折射率为1.4558，波导芯层3和氧化硅层9的厚度之和为4微米，宽度均为6微米。
[0059]以上实例仅供说明本发明只用，而非对本发明的限制，本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变化；因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
【权利要求】
1.一种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，包括: 一衬底； 一下包层，其制作在衬底上； 一波导芯层，其制作在下包层上的中间部位，形成脊形结构； 一 ITO透明电极，其制作在波导芯层上及两侧，并覆盖暴露的下包层的上表面； 一下绝缘介质层，其制作在ITO下电极的表面，该脊形结构的一侧，该绝缘介质层为断开状，形成一窗口 ； 一单层石墨烯薄膜，其制作在下绝缘介质层上； 一金属电极，其制作在脊形结构一侧，远离窗口的另一侧的单层石墨烯薄膜上，该金属电极与脊形结构有一预定距离，该距离大于SOOnm ； 一上绝缘介质层，其制作在脊形结构上的单层石墨烯薄膜上； 一高折射率氧化硅层，其制作在上绝缘介质层上。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，其中所述下包层的材料为低折射率的氧化硅，其 折射率为1.445，厚度为15 — 20微米。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，其中所述波导芯层和氧化硅层的材料为高折射率氧化硅，其折射率为1.4558，波导芯层和氧化硅层的厚度之和为4微米，宽度均为6微米。
4.根据权利要求1所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，其中所述ITO透明电极的材料为铟锡氧化物，其厚度满足nd=(2m+l) λ，其中，n为折射率，d为厚度，m为整数常数，λ为入射光波长。
5.根据权利要求1所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，其中所述下绝缘介质层的材料为六方氮化硼、Al2O3或Ta2O3，厚度为7-15nm。
6.根据权利要求1所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器，其中所述金属电极的材料为金属Pd、Pt、T1、Cu或Al，或及其组合。
7.—种石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，包括如下步骤: 步骤1:在一衬底上，生长一下包层； 步骤2:在下包层上，生长一波导芯层； 步骤3:采用刻蚀的方法，去掉波导芯层两侧的部分，形成脊形结构； 步骤4:在波导芯层上及两侧生长一 ITO透明电极，该ITO透明电极并覆盖暴露的下包层的上表面； 步骤5:在ITO下电极的表面，生长一下绝缘介质层； 步骤6:采用刻蚀的方法，在脊形结构的一侧刻蚀绝下缘介质层，形成窗口 ； 步骤7:在下绝缘介质层上，转移一单层石墨烯薄膜； 步骤8:在单层石墨烯薄膜上，远离窗口的另一侧生长一金属电极，该金属电极与脊形结构有一预定距离，该距离大于800nm ； 步骤9:在脊形结构上的单层石墨烯薄膜上，生长一上绝缘介质层； 步骤10:在上绝缘介质层生长一高折射率氧化硅层，完成制备。
8.根据权利要求7所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，其中所述下包层的材料为低折射率的氧化硅，其折射率为1.445，厚度为15 — 20微米。
9.根据权利要求7所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，其中所述波导芯层和氧化娃层的材料为高折射率氧化娃，其折射率为1.4558,波导芯层和氧化娃层的厚度之和为4微米，宽度均为6微米。
10.根据权利要求7所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，其中所述ITO透明电极的材料为铟锡氧化物，其厚度满足nd=(2m+l) λ，其中，n为折射率，d为厚度，m为整数常数，λ为入射光波长。
11.根据权利要求7所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，其中所述下绝缘介质层的材料为六方氮化硼、Al2O3或Ta2O3，厚度为715nm。
12.根据权利要求7所述的石墨烯电吸收低折射率差波导调制器的制备方法，其中所述金属电极的材料 为金属Pd、Pt、T1、Cu或Al,或及其组合。
【文档编号】G02F1/025GK103439807SQ201310380432
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】尹伟红, 韩勤, 杨晓红, 李彬, 崔荣, 吕倩倩 申请人:中国科学院半导体研究所