基于石墨烯的空间电光调制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电光调制器，尤其是涉及一种基于石墨烯的空间电光调制器。
【背景技术】
[0002]近年来，集成的高速、小尺寸、宽频光调制器一直是学术界乃至工业界研究的热点，尤其是以半导体为材料的传统电光调制器。然而，以硅为基础的调制器由于其较弱的电光交互特性，因此有着毫米量级的大尺寸；而以锗或复合半导体为基础的调制器则面临着与现存硅光电平台存在兼容性的问题。在硅调制器里加入高品质因子的光学谐振腔可以增强调制强度，但这些器件由于谐振腔本身的特点，有着较窄的调制带宽并要求较高的制作工艺和苛刻的环境温度。因此，找到一种与互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的高速、高强度的材料成了学术界的兴趣所在，同时也是工业界的当务之急。
[0003]石墨烯是一种平面的单层碳原子紧密组合的二维蜂巢状晶格结构(参考文南犬:A.N.Grigorenko, M.Polini and K.S.Novoselov, "Graphene plasmonics", naturephotonics, 6，262，2012),具有完全的sp2共价杂化极性结构，是其他维度类石墨材料的基本构建元素。它卷起来成为零维的富勒希，一维的碳纳米管或堆垛成三维的石墨。石墨烯的载流子表现为无质量的相对论粒子或称迪拉克-费密子，在室温下移动散射较小，这种特有的行为导致石墨烯中许多不一样的现象。首先是石墨烯是一种在导带和价带之间有一点交叠的零带隙2D半导体；其次是其显示的强的双极电场效应，载流子浓度高达113Cm 2，室温下的迀移率测量值达到?10000cm 2S %第三，实验观察表明，通过电场效应调节费密能级，石墨稀电子和空穴载流子具有半整数量子霍尔效应(half-1nteger quantumHal I effect, QHE)。此外，石墨稀还具有高的热导率和可见光透过率，在一定条件下石墨稀表现为半导体，属直接带隙，可以用来制造三极管等。
[0004]通过外加偏置电压改变石墨烯的电位并影响其载流子浓度，从而改变其折射率，可以实现宽带、高速的小尺寸波导型结构电光调制器。但是，波导型结构的缺点在于:为了实现较大的调制深度，波导必须足够长以增强石墨烯与光场的交互作用，这会让波导的等效电容变大，从而使调制速度受到限制，同时还会产生相对较高的电磁损耗。而自由空间结构的石墨烯光调制器不仅结合了石墨烯材料本身的高速、小尺寸等优势，同时还具备了波导型电光调制器稳定、易制备等特点。这使得石墨烯空间光调制器具备了在先进光电器件中应用的潜力(参考文献:Y.Yao et al.，"Electrically Tunable MetasurfacePerfect Absorbers for Ultrathin Mid-1nfrared Optical Modulators", NanoLetters., 2014, 14, 6526-6532)。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供基于石墨烯的超薄微纳结构，针对空间中的近红外入射波，可以通过加偏压的方式对其反射谱进行调控，且不依赖于入射的角度，进而实现空间电光调制功能的一种基于石墨烯的空间电光调制器。
[0006]本发明为5层结构，从上至下依次设有上银层、上六方氮化硼(hBN)层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼(hBN)层和下银层；所述上银层上设有至少I条缝隙。
[0007]所述上银层、上六方氮化硼(hBN)层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼(hBN)层和下银层的长度均可为200?300nm，所述上银层、上六方氮化硼(hBN)层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼(hBN)层和下银层的宽度均可为140?170nm ;上银层的厚度可为10?30nm ；所述缝隙的宽度可为5?20nm，所述上六方氮化硼(hBN)层的厚度可为lnm，石墨稀单原子层的厚度可为0.3?0.8nm，下六方氮化硼(hBN)层的厚度可为15?50nm，下银层的厚度可为100?2000nm ;本发明的总厚度可为126.3?281.8nm。
[0008]本发明在垂直方向上采用金属一介质一石墨烯一介质一金属的结构；水平方向上，最上层金属采用栅状条块，金属条块相互之间形成微小狭缝。而在石墨烯与底层金属之间加偏置电压，用来改变石墨烯的折射率，从而动态调控该结构的空间反射率。
[0009]之所以选用石墨烯作为调控材料，是因为它具有如下特点:
[0010]1，强交互性。与那些表现出量子限制斯塔克效应的复合半导体相比，单层石墨烯有着更强的带间跃迀，因此与光有着较强的交互作用。
[0011]2，宽带特性。由于迪拉克-费密子的高频动态电导率是常数，在通信频段、中红外、远红外，石墨烯对光的吸收率不依赖于波长。
[0012]3，高速特性。由于室温下石墨烯具有超高的载流子迀移率，根据能带填充效应，其费密能级可以被快速改变，从而实现高速调制的特性。
[0013]4，与互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容。在晶片级别和CMOS的兼容性让石墨烯可以被大量应用在高频电子元器中。
[0014]正是基于如上特点，石墨烯电光调制器具备了尺寸小、操作电压低、调制速度快、工作频带宽等优势。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0016]1.与传统的电光调制器对比，本发明具有调制速度快、尺寸小、功耗低等特点，且与基于硅的电子元器件兼容，使得它更容易集成在通信系统中。
[0017]2.与波导型石墨烯电光调制器对比，由于本发明不是通过对石墨烯的吸收率的变化来改变整体反射率，所以不需要增加石墨烯的面积以增强石墨烯和光波之间的交互。这就使得本发明可以做得比波导型石墨烯电光调制器更小，因此功耗也更低，同时等效电容也更小，相应的调制速度也更高。
[0018]3.本发明的结构具备入射光角度不依赖性，这在空间电光调制器的实际应用中具有重要意义。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结构组成示意图。
[0020]图2是本发明仿真实现的调制反射率曲线。
[0021]图3是本发明仿真的多角度入射图。在图3中，a为化学势:0.3eV，b为化学势:
1.0eV0
【具体实施方式】
[0022]以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023]以下实施例选择单面抛光的硅片为基片，在基片上用电子束蒸发的方法蒸镀150nm银，用射频磁控派射的方法沉积16nm的hBN在Ag上，然后用化学沉积的方法，让石墨烯长在hBN上，再用等离子体化学沉积的方法，将Inm的hBN在石墨烯上形成。最后通过纳米压印的方法，得到顶层的银条块。
[0024]本发明采用的是金属层一介质层一金属层(Metal-Dielectric-Metal)结构，其组成见图1。
[0025]本发明为5层结构，从上至下依次设有上银层1、上六方氮化硼(hBN)层2、石墨烯单原子层3、下六方氮化硼(hBN)层4和下银层5 ;所述上银层I上设有至少I条缝隙11。
[0026]所述上银层1、上六方氮化硼(hBN)层2、石墨烯单原子层3、下六方氮化硼(hBN)层4和下银层5的长度均可为200?300nm，所述上银层1、上六方氮化硼(hBN)层2、石墨烯单原子层3、下六方氮化硼(hBN)层4和下银层5的宽度均可为140?170nm ;上银层I的厚度可为10?30nm ;所述缝隙11的宽度可为5?20nm，所述上六方氮化硼(hBN)层2的厚度可为lnm，石墨稀单原子层3的厚度可为0.3?0.8nm，下六方氮化硼(hBN)层4的厚度可为15?50nm，下银层5的厚度可为100?2000nm ;本发明的总厚度可为126.3?281.8nm。
[0027]石墨烯单原子层3设于上六方氮化硼(hBN)层2和下六方氮化硼(hBN)层4之间，是为了防止石墨烯直接与金属接触，避免载流子在石墨烯和金属之间直接传输。上银层I和下银层5构成Metal-Dielectric-Metal结构中的金属部分(Metal)，上六方氮化硼(hBN)层2、石墨烯单原子层3、下六方氮化硼(hBN)层4构成介质层(Dielectric)。整个结构的长度为200?300nm，宽度为140?170nm，高度为126.3?281.8nm。因此本发明的尺寸非常小，比现有的电光调制器小了好几个数量级。
[0028]当整个结构的长度为250nm，宽度为160nm，高度为126.3?281.8nm ;上银层的厚度为10nm，缝隙的宽度为5nm;上六方氮化硼(hBN)层的厚度为lnm，石墨稀单原子层的厚度为0.5nm，下六方氮化硼(hBN)层的厚度为16nm，下银层的厚度为150nm时，经过仿真计算，可以得到如图2所示的不同费密能级的反射率曲线。从图2中可以看到，当费密能级从0.1eV增加到0.3eV时，谐振波长从2060nm红移到2110nm ;相反地，当费密能级从0.3eV增加到1.0^时，谐振波长从211011111蓝移到1950nm。这是因为，当费密能级大于0.3eV时，石墨烯介电常数的实部开始变成负数，表现出金属性，因此可以引起表面等离激元。在1950nm这个波长上，调制器的调制深度可以达到87.5%。插入损耗则为负3.19dB。调制带宽可以达到200nm，调制速度理论上可以达到500GHz。且从图3可以看出，该调制器对入射光的角度不依赖，即光波不管从什么角度入射，所得到的反射率曲线的波谷基本一致，这确保了调制器工作的稳定性。
[0029]基于石墨烯的空间调制器工作原理:表面银条块之间形成狭小的缝隙，引起表面等离激元(Surface Plasmon)，可以把入射光“限制”在缝隙中，使得缝隙中的场强局部增强；而改变石墨烯两端电压引起石墨烯的费密能级发生变化，从而使石墨烯的光电特性发生变化，石墨烯本身所引起的表面等离激元也随着变化，从而整个结构的等效介电常数也会有较大的变化。正是由于以上这两方面的原因，该调制器才具备如此优良的调制参数。
【主权项】
1.基于石墨烯的空间电光调制器，其特征在于为5层结构，从上至下依次设有上银层、上六方氮化硼层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼层和下银层；所述上银层上设有至少I条缝隙。2.如权利要求1所述基于石墨烯的空间电光调制器，其特征在于所述上银层、上六方氮化硼层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼层和下银层的长度均为200?300nm，所述上银层、上六方氮化硼层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼层和下银层的宽度均为140?170nm ;上银层的厚度为10?30nm ;所述缝隙的宽度为5?20nm，所述上六方氮化硼层的厚度为lnm，石墨稀单原子层的厚度为0.3?0.8nm，下六方氮化硼层的厚度为15?50nm，下银层的厚度为100?2000nm ;基于石墨稀的空间电光调制器的总厚度为126.3?281.8nm。
【专利摘要】基于石墨烯的空间电光调制器，涉及电光调制器。为5层结构，从上至下依次设有上银层、上六方氮化硼层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼层和下银层；上银层上设有至少1条缝隙。上银层、上六方氮化硼层、石墨烯单原子层、下六方氮化硼层和下银层的长度均可为200～300nm，宽度均可为140～170nm；上银层的厚度为10～30nm；缝隙的宽度可为5～20nm，上六方氮化硼层的厚度为1nm，石墨烯单原子层的厚度为0.3～0.8nm，下六方氮化硼层的厚度可为15～50nm，下银层的厚度为100～2000nm；总厚度为126.3～281.8nm。尺寸小、操作电压低、调制速度快、工作频带宽。
【IPC分类】G02F1/03
【公开号】CN105068278
【申请号】CN201510591902
【发明人】朱锦锋, 蔡艺军, 严爽, 张丽蓉, 柳清伙
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年9月17日