基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器的制造方法
【技术领域】
[0001]—种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，用于集成光子器件调制、解调1.55?3μπι近中红外的光学信号，属于电光调制器，尤其涉及基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器技术领域。
【背景技术】
[0002]光子代替电子作为信息的载体是历史发展的必然趋势，现代集成光学的研究主要集中于近红外通信波段，随着20世纪70年代低损耗光纤和半导体激光器的出现以及80年代掺铒光纤放大器的发明和实用化，集成光学研究的波段逐渐从第一代的0.85μπι转移到第二代的1.31μηι以及到现在最主流的1.555μηι波长。各种光学器件，包括光波导、光親合器、光开关、光调制器、滤波器、模-数转换器、探测器，都已经得到广泛的研究并制作成功。集成光学已经成为全世界研究的热点并在迅速发展，这对光纤通信、光信号处理以及与集成电路之间的光电混合集成都有着非常重要的意义。到目前为止，集成光学在0.8-1.55μπι的近红外光波段工作的各种材料和器件已然引领光通信高新技术走上了产业化，成为当下信息产业的重要支柱。
[0003]中红外波段(2-20μπι)是太阳辐射光中一个重要的波段，其在各个科技领域有着十分重要的应用，包括传感、环境监测、生物医学应用、热成像、军事应用等等。虽然中红外光在各个领域都有巨大的应用潜力，近红外波段的研究也吸引了足够多的关注度，然而集成光子学在中红外波段进展却非常缓慢，多年来一直面临着巨大的困难和挑战，远远不及近红外通信波段的研究发展。首先是光源的问题，早期一个连续的中红外光源通常体积非常大，而且价格非常昂贵，有些还需要低温冷却。其次是传输的问题，受限于光源的困难，传输中红外信号的波导、光纤的研究也是困难重重。
[0004]近年来，随着量子级联激光器的发展，中红外光源的问题得到一定程度上的解决。据文献报导，许多课题组已经研制出了基于不同中红外波长的量子级联激光器，这些激光器不仅解决了之前成本过高、体积大的问题，而且波长范围很大，最长可以到9μπι(见文献MuJ.Soref,et a1.Si I icon-on-nitride structures for mid-1nfrared gap-plasmonwaveguiding[J].Applied Physics Letters，2014，104(3))，同时已经可以进行商业生产。同样，中红外光纤也已经得到发展，以美国的IRphotonics公司为例，他们生产的氟化物光纤如ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)等重金属氟化物光纤具有很稳定的中红外光波段的传输特性，在300nm到4500nm波段内的传输损耗可以做到小于0.2dB/cm。此外，IRphotonics公司还可以提供中红外单模光纤、中红外多模光纤、中红外大功率光纤、中红外掺杂光纤等。因此，中红外激光器和光纤的发展推动了中红外集成光电子学的研究，使得中红外波段的研究也有可能像近红外波段一样得到快速的发展。但目前总体来说，基于中红外的光学器件包括对中红外光调制器的研究还比较滞后，特别是基于1.55?3μπι近中红外的光学信号的集成光子器件调制和解调的难题。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述不足之处提供了一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，解决基于1.55?3μπι近中红外的光学信号的集成光子器件调制和解调的难题。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于:包括基底层、设置在基底层上的脊形光波导层、第一支柱和第二支柱，第一支柱和第二支柱分别设置在脊形光波导层的两侧，在脊形光波导层上设置有第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层延伸至第一支柱的上表面，第二石墨烯层延伸至第二支柱的上表面，在脊形光波导层与第一石墨烯层和第二石墨烯层、第一石墨烯层与第二石墨烯层、第一石墨烯层与第一支柱、第二石墨烯层与第二支柱之间分别设置有隔离介质层，第一支柱上的第一石墨烯层上设置有第一电极，第二支柱上的第二石墨烯层上设置有第二电极。
[0008]进一步，所述脊形光波导层分为第一脊形光波导层和设置在第一脊形光波导层上的第二脊形光波导层，所述第一石墨烯层、第二石墨烯层从下到上依次设置在第一脊形光波导层与第二脊形光波导层之间；所述第一脊形光波导层与第一石墨烯层、第一石墨烯层与第一支柱之间的隔离介质层为第一隔离介质层;所述第一石墨烯层与第二石墨烯层、第二石墨烯层与第二支柱之间的隔离介质层为第二隔离介质层;所述第二石墨烯层与第二脊形光波导层之间的隔离介质层为第三隔离介质层。
[0009]进一步，所述第一石墨烯层、第二石墨烯层从下到上依次设置在脊形光波导层的上表面，所述脊形光波导层与第一石墨烯层、第一石墨烯层与第一支柱之间的隔离介质层为第一隔离介质层;所述第一石墨烯层与第二石墨烯层、第二石墨烯层与第二支柱之间的隔离介质层为第二隔离介质层。
[0010]进一步，所述基底层的材料为二氧化娃。
[0011 ]进一步，所述脊形光波导层的材料为硫系玻璃材料。
[0012]进一步，所述硫系玻璃材料是由除O外的第VI族元素作为阴离子与其他金属和非金属兀素形成的化合物玻璃，可以是Ge23Sb7S7Q、As2Se3、As2S3材料之一。
[0013]进一步，所述第一支柱、第二支柱和基底层形成凹槽结构，脊形光波导层设置在凹槽结构内。
[OOM]进一步，所述隔离介质层的厚度为5?60nm。
[0015]进一步，所述隔离介质层是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物等绝缘材料之一。
[0016]进一步，所述第一电极和第二电极由两层材料构成，第一层为与第一石墨烯层和第二石墨烯层相接触的材料，第二层为设置在第一层上的材料，第一层的材料为钛、镍、钴、钯中的一种，第二层的材料为金、银、铂、铜材料中的一种。
[0017]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0018]—、本发明中红外光调制器将脊形光波导层和支柱之间的石墨烯悬空设置，可以提高石墨烯载流子迀移率，可提升器件的操作速率，调制速率可高达122GHz/bit;
[0019]二、本发明中红外光调制器中的脊形光波导层材料为硫系玻璃材料，对中红外光谱具有较宽且平坦的透过率，可实现对1.55?3.Ομπι中红外光波信号进行调制；
[0020]三、本发明中红外光调制器具有尺寸小、调制速率高、消光比高，制备工艺可与传统的CMOS工艺相兼容，易于集成。
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例中近中红外光调制器将石墨烯嵌入在脊形光波导层中间的横截面结构示意图；
[0022]图2是本发明实施例中近中红外光调制器将石墨烯放置在脊形光波导层上表面的横截面结构示意图；
[0023]图3是本发明实施例中近中红外光调制器在入射光波长分别为1.55μm、2μm、2.5μπι、3μπι时，脊形光波导层中TM模的光吸收系数随着石墨烯化学势能的变化曲线图；
[0024]图4是本发明实施例中近中红外光调制器在入射光波长分别为1.55μm、2μm、2.5μm、3ym时，脊形光波导层中TM模分别在“0Ν”和“OFF”状态时随着传输距离的归一化功率变化曲线图。
[0025]图中:1、基底层，2、脊形光波导层，21、第一脊形光波导层，22、第二脊形光波导层，31、第一支柱，32、第二支柱，41、第一石墨稀层，42、第二石墨稀层，51、第一隔离介质层，52、第二隔离介质层，51、第三隔离介质层，61、第一电极，62、第二电极。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0027]—种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，包括基底层、设置在基底层上的脊形光波导层、第一支柱和第二支柱，第一支柱和第二支柱分别设置在脊形光波导层的两侧，在脊形光波导层上设置有第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层延伸至第一支柱的上表面，第二石墨烯层延伸至第二支柱的上表面，在脊形光波导层与第一石墨烯层和第二石墨烯层、第一石墨烯层与第二石墨烯层、第一石墨烯层与第一支柱、第二石墨烯层与第二支柱之间分别设置有隔离介质层，第一支柱上的第一石墨烯层上设置有第一电极，第二支柱上的第二石墨烯层上设置有第二电极。
[0028]作为优选，所述基底层的材料为二氧化硅。
[0029]作为优选，所述脊形光波导层的材料为硫系玻璃材料。
[0030]作为优选，所述硫系玻璃材料是由除O外的第VI族元素作为阴离子与其他金属和非金属兀素形成的化合物玻璃，可以是Ge23Sb7S7Q、As2Se3、As2S3材料之一。
[0031]作为优选，所述第一支柱、第二支柱和基底层形成凹槽结构，脊形光波导层设置在凹槽结构内。
[0032]作为优选，所述隔离介质层的厚度为5?60nm。
[0033]作为优选，所述隔离介质层是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物等绝缘材料之一。
[0034]作为优选，所述第一电极和第二电极由两层材料构成，第一层为与第一石墨烯层和第二石墨烯层相接触的材料，第二层为设置在第一层上的材料，第一层的材料为与石墨烯材料的附着性较好的钛、镍、钴、钯中的一种，第二层的材料为金、银、铂、铜材料中的一种，作为引出电极。
[0035]作为优选，第一石墨烯层和第二石墨烯层在脊形光波导层中完全重叠设置。
[0036]本发明的光调制器工作原理为:光调制器的脊形光波导材料采用硫系玻璃材料，对1.55?3μπι近中红外光谱具有较低的波导损耗，石墨烯材料是一个对宽光谱(包括1.55?3μπι近中红外光谱)吸收的二维材料，并且其光学响应特性可由外加偏置电压进行调控。将两