层石墨烯置于脊形光波导层的上表面或嵌于光波导层的中间并分别向脊形光波导层的两侧延伸出来至第一支柱和第二支柱上分别连接第一电极和第二电极，通过外加偏置电压调制石墨烯的费米能级从而调控其光学响应特性，改变脊形光波导的复有效折射率，复有效折射率的实部对应光相位的改变，复有效折射率的虚部对应光的吸收。不同的入射波长，在不同的特定偏置电压点对应的脊形光波导的复有效折射率的虚部值会比较大，即脊形光波导的光损耗会较大，光信号几乎无法通过，可作为“OFF”状态;而在其他偏置电压点，该脊形光波导层的光损耗会较小，光信号几乎可以无损耗的通过，可作为“ON”状态，这样也就实现了对1.55?3μπι近中红外光谱信号的调制功能。由于石墨烯材料具有超快的载流子迀移率，再加上将脊形光波导层和支柱之间的石墨烯悬空设置可提高石墨烯载流子迀移率，可进一步提高器件的操作速率，本发明调制器制备工艺与传统的SOI CMOS工艺兼容，具有易于集成的优点。
[0037]实施例1
[0038]基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器三维结构示意图如图1所示；采用1.55?3μπι近中红外光波长，包括基底层1、设置在基底层I上的脊形光波导层2、第一支柱31和第二支柱32，第一支柱31和第二支柱32设置在脊形光波导层2的左右两侧，所述脊形光波导层2分为第一脊形光波导层21和设置在第一脊形光波导层21上的第二脊形光波导层22，所述第一石墨烯层41、第二石墨烯层42从下到上依次设置在第一脊形光波导层21与第二脊形光波导层22之间；第一石墨烯层41延伸至第一支柱31的上表面，第二石墨烯层42延伸至第二支柱32的上表面，所述第一脊形光波导层21与第一石墨烯层41、第一石墨烯层41与第一支柱31之间设置有第一隔离介质层51;所述第一石墨烯层41与第二石墨烯层42、第二石墨烯层42与第二支柱32之间设置有第二隔离介质层52;所述第二石墨烯层42与第二脊形光波导层22之间设置有第三隔离介质层53，第一支柱31上的第一石墨烯层41上设置有第一电极61，第二支柱32上的第二石墨烯层42上设置有第二电极62。所述基底层I的材料为S12 ；脊形光波导层2的宽度和高度分别为0.6μπι和0.4μπι，采用As2S3材料;第一隔离介质层51、第二隔离介质层52和第三隔离介质层53的材料为氮化硼hBN;第二隔离介质层52的厚度为15nm;第一电极61和第二电极62材料是由在Pa (钯材料)上镀一层Au (金材料)构成。
[0039]实施例2
[0040]基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器三维结构示意图如图2所示；采用1.55?3μπι近中红外光波长，包括基底层1、设置在基底层I上的脊形光波导层2、第一支柱31和第二支柱32，第一支柱31和第二支柱32设置在脊形光波导层2的左右两侧，所述第一石墨烯层41、第二石墨烯层42从下到上依次设置在脊形光波导层2的上表面;第一石墨烯层41延伸至第一支柱31的上表面，第二石墨烯层42延伸至第二支柱32的上表面，所述脊形光波导层2与第一石墨烯层41、第一石墨烯层41与第一支柱31之间设置有第一隔离介质层51;所述第一石墨烯层41与第二石墨烯层42、第二石墨烯层42与第二支柱32之间设置有第二隔离介质层52;第一支柱31上的第一石墨烯层41上设置有第一电极61，第二支柱32上的第二石墨烯层42上设置有第二电极62。所述基底层I的材料为S12;脊形光波导层2的宽度和高度分别为0.6μπι和0.4μπι，采用As2S3材料;第一隔离介质层51和第二隔离介质层52的材料为氮化硼hBN;第二隔离介质层52的厚度为15nm;第一电极61和第二电极62材料是由在Pa(钯材料)上镀一层Au (金材料)构成。
[0041 ]图3是本发明实施例近中红外光调制器在入射光波长分别为1.55μm、2μm、2.5μm、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。从图中可见，不同入射光波长的吸收峰值对应着不同的偏置电压点，1.55μπι、2μπι、2.5μπι、3μπι入射波长对应的光吸收系数(负有效折射率的虚部)峰值分别为0.06467、0.01652、0.003623、
0.001565，相对应的石墨烯化学势能分别为0.516￥、0.396￥、0.316￥、0.256￥，可作为相应波长的“OFF”状态。在石墨烯化学势能为0.7eV时，本发明光调制器对1.55?3μπι入射光的吸收系数均很小，在10_5量级，通过调制器时光衰减较小，可作为“0Ν”状态。
[0042]图4是本发明实施例近中红外光调制器在入射光波长分别为1.55μm、2μm、2.5μm、3μπι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。从图中可见，在“OFF"状态时，1.55μπι、2μπι入射光波长在经过ΙΟΟμπι的传输距离时就衰减至非常小的值，对2.5μπι、3μπι入射光波长则需要更长的传输长度才能达到较理想的光衰减。计算结果显示，在入射光波长分别为I.55μηι、2μηι、2.5μηι、3μηι时，400μηι长度的石墨稀-硫系玻璃光调制器可实现的消光比分别为:>30dB、>30dB、26dB、11.3dB。
[0043]本发明的光调制器的调制速率主要是受限于RC常数，可表达为f3dB=l/23iRC，由于石墨烯本身具有超高的载流子迀移，再加上脊形光波导层和支柱之间的石墨烯悬空设置可进一步提高石墨烯的载流子迀移率，因而本发明光调制器的RC常数是一个非常小的值，约为1.3X10_12，计算结果显示本发明光调制器的调制速率可高达122GHz/bit。
【主权项】
1.一种基于石墨烯-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。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于: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。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于: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。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于:所述基底层的材料为二氧化娃。5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于:所述脊形光波导层的材料为硫系玻璃材料。6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于: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元素形成的化合物玻璃，可以是Ge23Sb7S7Q、As2Se3、As2S3材料之一。7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于: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。8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于:所述隔离介质层的厚度为5?60nm。9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于: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。10.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，其特征在于: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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯‐硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，属于电光调制器技术领域，解决基于1.55～3μm近中红外的光学信号的集成光子器件调制和解调的难题。本发明包括基底层、设置在基底层上的脊形光波导层、第一支柱和第二支柱，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。本发明用于集成光子器件中的信号调制和解调。
【IPC分类】G02B6/12, G02F1/035
【公开号】CN105700203
【申请号】CN201610264177
【发明人】陆荣国, 叶胜威, 田朝辉, 刘天良, 陈德军, 张尚剑, 刘永
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年4月26日