一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器的制作方法

文档序号:11947691阅读:608来源:国知局
一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器的制作方法与工艺

本发明属于集成光子器件技术领域,具体涉及一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器。



背景技术:

与传统的电通信相比,光通信由于自身具有高速高质量传输以及超宽的工作频带等优势,成为大数据存储和高速计算领域不可获缺的重要技术。而电光调制器作为光通信和信号处理中的一种关键器件,其目前的发展趋势是微型化和集成化。近些年,一系列的基于硅的调制解调器被设计出来,尽管这类器件拥有高质量的光学共振可以增强调制强度,但是它们的热稳定性和带宽问题迟迟得不到解决。

自从2004年发现石墨烯以来,引起了人们强烈的研究兴趣。G.W.Hanson教授提出,石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为(“Duadic Green’s functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene,”J.Appl.Phys.103(6),064302,2008)。

;其中-e为电子电量,为普朗克常数,kB为波尔兹曼常数,fd(ε)=1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])是费米狄拉克分布,ω为角频率,μc为化学势,Γ表示散射率,T表示温度。由上述公式可知,石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的,不同的电导率又对应着不同的介电常数,它们的对应关系为:Re(εg,eq)=-σg,i/ωΔ+ε0≈-σg,石墨烯的损耗为|Im(εg,eq)/Re(εg,eq)|。所以,我们可以通过改变石墨烯的化学势来得到我们想要的介电常数,从而可以得到不同的折射率。石墨烯化学势与栅极电压的关系为:

将石墨烯引入设计调制解调器,使得其调制效果同传统的硅调制解调器相比有了极大的改善。但是由于光和单层石墨烯的耦合比较差,这款基于石墨烯的调制解调器的效率并不理想。后续又有一些基于双层石墨烯设计等离子体吸收的调制解调器的成果,这种设计虽然可以大大提高调制效率,但是它并没有考虑石墨烯在电场中各向异性的相互作用。因此,设计效果良好的石墨烯调制解调器的关键在于如何解决单层石墨烯和波导之间的耦合问题。



技术实现要素:

发明目的:本发明的目的在于提供一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器,不仅结构简单紧凑,而且能耗低,带宽大,调制效率高。

一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器,包括叠合在一起的四层结构:石墨烯层、三氧化二铝层、硅波导层和绝缘介质层,在所述的绝缘介质层上设置硅波导层,在硅波导层上设置三氧化二铝层,在三氧化二铝层上设置覆盖金属结构的石墨烯层;所述的石墨烯层包括单层石墨烯层和金属结构层,单层石墨烯层铺在金属结构层下面;所述的金属结构层在垂直方向上的投影与硅波导层重合。

所述的绝缘介质层包括中间埋层和底层衬底;在所述的底层衬底上设置中间埋层。

所述的单层石墨烯层的石墨烯为宽度为500纳米,长度为2微米的矩形结构。

所述的金属结构层是有三排两列的金属片放置而成;单个所述的金属片的尺寸是长度为140纳米,宽度为110纳米,厚度为10纳米,相邻金属片之间横向间隔160纳米,纵向间隔50纳米。

所述的单层石墨烯层的一端加载金属正电极;所述的硅波导层为硅波导内嵌在二氧化硅介质层中,在硅波导的一侧加载金属负电极。

所述的金属正电极和金属负电极均是由3纳米的铬和50纳米的金构成,其中铬作为粘附层,金作为外加电极,金属正电极和金属负电极距离硅波导距离均为2微米。

所述的硅波导的材质为P型掺杂硅,阻抗为10欧姆每厘米。

所述的硅波导层厚度为220纳米,宽度400纳米。

所述的绝缘介质层是二氧化硅材料,厚度为2微米。

所述的金属结构层是银材料。

有益效果:与现有技术相比,本发明基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器,基于红外波段石墨烯电可调特性以及金属片的局域等离子谐振特性并利用了薄层金属的趋肤效应带来的耦合、损耗增强效应实现光波的快速宽带调制,不仅结构简单、工艺CMOS兼容、尺寸小便于单片光子集成,具备25fJ/bit以内的超低能耗、2THz以上的调制带宽,有望用于未来海量数据传输、大型数据中心、高速片上/片间通信、物联网、云计算等领域,具备很好的实用性。

附图说明

图1是石墨烯电光调制器侧面结构示意图;

图2是石墨烯电光调制器的俯视结构示意图;

图3是石墨烯电光调制器装置整体结构示意图;

图4是石墨烯电光调制器在导通/阻断状态下吸收率波长分布图;

图5是石墨烯电光调制器在分别在开关状态下电磁波传输仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。

如图1所示,一种基于超薄金属纳米粒子的超紧凑石墨烯电光调制器,包括叠合在一起的四层结构:石墨烯层1、三氧化二铝层2、硅波导层3和绝缘介质层4,绝缘介质层4包括中间埋层41和底层衬底42。在底层衬底42上设置中间埋层41,在中间埋层41上设置硅波导层3,在硅波导层3上设置三氧化二铝层2,在三氧化二铝层2上设置覆盖金属结构的石墨烯层1。信号源为1.55微米的近红外激光源。Wsi指的是硅波导的宽度。

如图2所示,石墨烯层1包括单层石墨烯层11和金属结构层12,单层石墨烯层11铺在金属结构层12下面。金属结构层12是有三排两列的金属片放置而成,金属片厚度为10纳米。金属结构层12在垂直方向上的投影与硅波导层3重合。单个金属片的尺寸是长度为140纳米,宽度为110纳米,厚度为10纳米,相邻金属片之间横向间隔160纳米,纵向间隔50纳米。

在单层石墨烯层11上表面设置金属结构层12;单层石墨烯层11的石墨烯结构为宽度为500纳米,长度为2微米的矩形结构。

在单层石墨烯层11的一端加载金属正电极,硅波导层3为硅波导内嵌在二氧化硅介质层中,并在硅波导的一侧加载金属负电极。金属正电极和金属负电极是由3纳米的铬和50纳米的金构成。其中铬作为粘附层,金作为外加电极,金属正电极和金属负电极距离硅波导距离均为2微米。硅波导的材质为P型掺杂硅,阻抗为10欧姆每厘米。

硅波导层3厚度为220纳米,宽度400纳米。绝缘介质层4是二氧化硅材料,厚度为2微米。金属结构层12是银材料。光子集成使用晶圆多为SOI(绝缘衬底上的硅)晶圆,之所以选择SOI晶圆更多是SOI技术与IC时代常用的体硅的一种替代,SOI晶圆是在薄层硅以及衬底之间引入氧化硅绝缘层,它具有体硅无法比拟的优势,用在集成电路中,中间隔离层可以实现元器件的介质隔离,消除体硅CMOS电路的寄生门锁效应,进而实现寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小等优点;用于光路,绝缘介质层则可消除上下硅层的光学耦合。

如图3所示,单层石墨烯层11的一侧加载金属正电极,另一端电极加载在硅波导层3的硅波导一侧。红外光源通过单模光纤输出光载波,光波经光栅耦合进硅波导(或片上集成光芯片中,光源直接输出硅波导)。当导波光经过金属纳米天线,会在金属纳米颗粒表面形成电子集体震荡,形成局域等离子体谐振。而超薄金属的趋肤效应会进一步提高耦合、增强谐振;等离子体谐振频率取决于金属纳米颗粒的尺寸以及周边的介质环境;因而,可以通过外加偏压改变石墨烯的掺杂进而改变其化学势,来改变谐振频率,实现对光波的调制。

如图4所示,石墨烯电光调制器的工作在两种工作状态(ON,OFF)下的传输特性曲线。当调制电信号通过电极时,外加电压将调控石墨烯化学势,在0.5电子伏特与0电子伏特之间变化,进而实现对光载波的调制;当石墨烯化学势为0.5eV时,器件通过的光能量降至百分之20以下,器件截止(OFF),而当调控石墨烯化学势为0eV时,器件导通(ON),由此实现电信号对光波的宽带调制。

如图5所示,石墨烯电光调制器在分别在开关状态下的光波能量密度分布图。上图表示在石墨烯外加电压为0.5电子伏特时,整个器件呈现出导通状态,电磁波在器件中可以沿着硅波导无障碍的传输;下图表示在石墨烯没有外加电压的情况下,整个器件呈现出截止状态,电磁波在器件调制部分形成局域等离子共振截止传输。由此可形象的展现出所设计的石墨烯电光调制器的工作过程。

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