一种黑磷光调制器及其制备方法与流程

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种黑磷光调制器及其制备方法。

背景技术：

光调制器是现代光电通信系统中最重要的器件之一，能够实现对信号快速而准确的编码调制。光调制器的基本结构包括一个光波导，在光波导中施加电场，光经过该光波导结构时，入射光的折射率或者吸收率会发生变化，从而引起输出光的相位或振幅的变化。探索高速、宽带和尺寸小的光调制器是本研究领域的热门课题之一。

黑磷位于元素周期表第15位，元素符号为p，其为黑色有金属光泽的晶体。2014年，与石墨烯一样拥有二维层状结构的黑磷，被视为新的超级材料，刚一出现就引起了全世界的广泛关注。黑磷是一种天然的半导体，其带隙宽度可调、电学性能优越，被认为有望取代硅，成为半导体工业的核心材料。黑磷的光学性能同其它半导体相比也有巨大优势，它的半导体带隙是直接带隙，即导带底部和价带顶部在同一位置，这意味着黑磷可以和光直接耦合，构筑新一代光电器件。此外，黑磷还具有独特的力学、电学和热学的各向异性。

尽管黑磷已在多个领域展现出巨大的应用潜力，它却存在着一个致命缺陷：缺乏稳定性。研究表明，黑磷之所以稳定性差，是因为在其蜂窝状结构中，磷原子与其它三个磷原子成键之后，外层仍有一对孤对电子，该孤对电子易被氧分子夺走，从而造成外层黑磷的氧化，而在有水存在的情况下，表面生成的氧化磷会迅速与水反应而被降解掉，这样暴露出来的黑磷又会继续被氧化进而降解。这一缺陷极大地限制了黑磷的研究和工业应用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种黑磷光调制器。所述黑磷光调制器中的黑磷存在较为稳定的环境中，不会被氧化。本发明还提供了一种黑磷光调制器的制备方法，该制备方法工艺简单。

本发明第一方面提供了一种黑磷光调制器，包括黑磷光调制器本体、槽型玻片和盖玻片，所述槽型玻片包括一凹槽，所述黑磷光调制器本体容置在所述凹槽中，所述盖玻片覆盖所述槽型玻片以密封所述凹槽。

其中，所述黑磷光调制器本体包括第一电极、第二电极、衬底、绝缘层和黑磷层，所述衬底、所述绝缘层和所述黑磷层依次层叠设置在所述凹槽中，所述黑磷层和所述绝缘层包括向相反方向延伸的延伸端，所述黑磷层的延伸端上设有第一电极，所述绝缘层的延伸端上设有第二电极。

其中，所述黑磷光调制器本体包括第一电极、第二电极、衬底、绝缘层、第一黑磷层、电容层和第二黑磷层，所述第一黑磷层和所述第二黑磷层之间通过所述电容层隔离，所述衬底、所述绝缘层、所述第一黑磷层、所述电容层和第二黑磷层依次层叠设置在所述凹槽中，所述第一黑磷和所述第二黑磷层包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一黑磷层的延伸端上设有所述第一电极，所述第二黑磷层的延伸端上设有所述第二电极。

其中，所述槽型玻片的侧面设有两个通孔，所述第一电极和所述第二电极分别通过所述两个通孔局部暴露在空气中。

其中，所述黑磷层的厚度为0.7nm-3nm，所述第一黑磷层的厚度为0.7nm-3nm，所述第二黑磷层的厚度为0.7nm-3nm。

其中，所述凹槽的深度为30nm-100nm。

其中，所述盖玻片和所述槽型玻片的材质包括石英玻璃。

其中，所述黑磷光调制器的长度为300nm-500nm。

本发明第一方面提供的黑磷光调制器，通过将黑磷光调制器本体容置在槽型玻片的凹槽中且通过盖玻片覆盖所述槽型玻片以密封所述凹槽，黑磷光调制器本体可以密封在密闭空间中，可有效地解决黑磷光调制器中黑磷材料容易被氧化的难题。同时本发明黑磷光调制器的结构不同于传统的脊型波导，缩小了光调制器的尺寸，减小了光调制器的体积。

本发明第二方面提供了一种黑磷光调制器的制备方法，包括：

提供槽型玻片和黑磷光调制器本体，所述槽型玻片包括一凹槽以及与所述凹槽邻接的上表面，在所述凹槽中容置所述黑磷调制器本体；

提供盖玻片，在所述槽型玻片的所述上表面或所述盖玻片表面涂覆无影胶，将所述盖玻片覆盖所述上表面以密封所述凹槽，固化后，得到黑磷光调制器。

其中，所述固化的操作包括：先固化6s-10s，然后去除多余的无影胶，再固化完全，得到所述黑磷光调制器。

本发明第二方面提供的黑磷光调制器的制备方法，制备方法简单、易操作。

综上，本发明有益效果包括以下几个方面：

1、本发明提供的黑磷光调制器为黑磷的存在提供了稳定的环境，凸显了黑磷材料优异的半导体和光电性能，同时本发明黑磷光调制器的结构不同于传统的脊型波导，缩小了光调制器的尺寸；

2、本发明提供的黑磷光调制器的制备方法，制备方法简单、易操作。

附图说明

图1为本发明一实施方式提供的黑磷光调制器的剖面图；

图2为本发明一实施方式提供的黑磷光调制器的正视图；

图3为本发明一实施方式提供的槽型玻片的俯视图；

图4为本发明一实施方式提供的盖玻片的俯视图；

图5为本发明一实例中黑磷光波导的te和tm模的模场分布图，采用fdtd软件模拟仿真得到te和tm模在波导中的模场分布；

图6为本发明一实例中黑磷光波导的te和tm模损耗随偏置电压的变化图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

结合图1-4，本发明实施例第一方面提供了一种黑磷光调制器，包括黑磷光调制器本体1、槽型玻片2和盖玻片3，所述槽型玻片2包括一凹槽21，所述黑磷光调制器本体1容置在所述凹槽21中，所述盖玻片3覆盖所述槽型玻片2以密封所述凹槽21。

本发明通过将黑磷光调制器本体容置在槽型玻片的凹槽中且通过盖玻片覆盖所述槽型玻片以密封所述凹槽，黑磷光调制器本体可以密封在密闭空间中，可有效地解决黑磷光调制器中黑磷材料容易被氧化的难题。

本发明一实施方式中，所述黑磷光调制器本体包括第一电极14、第二电极15、衬底11、绝缘层12和黑磷层13，所述衬底11、所述绝缘层12和所述黑磷层13依次层叠设置在所述凹槽21中，所述黑磷层13和所述绝缘层12包括向相反方向延伸的延伸端，所述黑磷层13的延伸端上设有第一电极14，所述绝缘层12的延伸端上设有第二电极15。具体地，所述黑磷光调制器本体包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向与光传输方向平行；在所述第二方向上，所述黑磷层和所述绝缘层包括向相反方向延伸的延伸端，所述黑磷层的延伸端上设有第一电极，所述绝缘层的延伸端上设有第二电极。本发明实施方式中，当黑磷层为一层时，可在黑磷层上设置第一电极，在绝缘层设置第二电极，当所述黑磷光调制器工作时，偏置电压同时加在两个电极上，通过改变偏置电压，可调节黑磷的光导率，从而实现调节波导的有效折射率；通过加上偏置电压，来改变光信号的相位或振幅。可选地，所述黑磷层的厚度为0.7nm-3nm。可选地，黑磷层在第二方向上的宽度为10nm-50nm。可选地，黑磷层中的黑磷为单层或多层黑磷。具体地，多层黑磷的层数为2-10层。可选地，黑磷层中的黑磷材料包括黑磷纳米带。

本发明另一实施方式中，所述黑磷光调制器本体包括第一电极、第二电极、衬底、绝缘层、第一黑磷层、电容层和第二黑磷层，所述第一黑磷层和所述第二黑磷层之间通过所述电容层隔离，所述衬底、所述绝缘层、所述第一黑磷层、所述电容层和第二黑磷层依次层叠设置在所述凹槽中，所述第一黑磷和所述第二黑磷层包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一黑磷层的延伸端上设有所述第一电极，所述第二黑磷层的延伸端上设有所述第二电极。具体地，所述黑磷光调制器本体包括平行于所述衬底且互相垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向与光传输方向平行；在所述第二方向上，所述第一黑磷层和所述第二黑磷层包括向相反方向延伸的延伸端，所述第一黑磷层的延伸端上设有第一电极，所述第二黑磷层的延伸端上设有第二电极。可选地，所述电容层的材质为氧化铝；可选地，电容层的厚度5nm-10nm，宽度为20nm-40nm。可选地，在垂直于衬底方向上，第一黑磷层和第二黑磷层部分重叠或完全重叠。本发明实施方式中，当黑磷层为两层时，可在第一黑磷层上设置第一电极，在第二黑磷层上设置第二电极。可选地，所述第一黑磷层的厚度为0.7nm-3nm，所述第二黑磷层的厚度为0.7nm-3nm。可选地，所述第一黑磷层和所述第二黑磷层在第二方向上的宽度为10nm-50nm。可选地，所述第一黑磷层和所述第二黑磷层中的黑磷为单层或多层黑磷。具体地，多层黑磷的层数为2-10层。可选地，所述第一黑磷层和所述第二黑磷层中的黑磷材料包括黑磷纳米带。

本发明实施方式中，所述槽型玻片的侧面设有两个通孔，所述第一电极14和所述第二电极15分别通过所述两个通孔局部暴露在空气中。可选地，所述第一电极14可以通过第一个通孔局部暴露在空气中，所述第二电极15可以通过第二个通孔局部暴露在空气中。这样设置可使第一电极和第二电极通过外部电路连接(用vg表示)，以在所述槽型玻片的侧面设置偏置电压，通过改变偏置电压，可调节黑磷的光导率，从而实现调节波导的有效折射率；通过加上偏置电压，来改变光信号的相位或振幅。此外，本发明通过在黑磷光调制器本体的侧面设置偏置电压，不用像传统的光调制器在顶端加电压(脊型电极)，可以缩短黑磷光调制器本体的尺寸大小。具体地，所述槽型玻片包括四个侧面，所述两个通孔可同时设置在同一个侧面上。可选地，所述第一电极和所述第二电极局部暴露在空气中表示所述第一电极和所述第二电极中仅有部分暴露在空气中，其他部分还是容置在凹槽中。进一步可选地，所述第一电极和所述第二电极的一个侧面分别通过所述两个通孔全部或局部暴露在空气中。进一步可选地，所述第一电极和所述第二电极可以与两个通孔紧密接触以防止空气通过该通孔进入凹槽中。

本发明实施方式中，槽型玻片的材质包括石英玻璃。可选地，槽型玻片的长度为300nm-700nm，宽度为350nm-600nm，高度为300nm-400nm。可选地，槽型玻片可以购买得到或者通过氢氟酸腐蚀制得。

本发明实施方式中，槽型玻片中凹槽的深度为30nm-100nm。可选地，凹槽的长度为40nm-600nm，宽度为30nm-500nm。可选地，凹槽的形状可为矩形或几字形。

本发明实施方式中，所述盖玻片的材质包括石英玻璃。

本发明实施方式中，所述黑磷光调制器本体与所述盖玻片之间留有缝隙，方便黑磷光调制器本体的热胀冷缩。具体地，所述黑磷光调制器本体与所述盖玻片之间的垂直距离可为10nm-25nm。

本发明实施方式中，衬底的材质包括硅。可选地，衬底的厚度为20nm-70nm，宽度为100nm-400nm。

本发明实施方式中，绝缘层的材质包括氧化铝、二氧化硅、氮化硅或高分子聚合物。可选地，绝缘层的厚度为20nm-50nm，宽度为100nm-200nm。

本发明实施方式中，第一电极或第二电极的材质为导电性能良好的金属材料，具体为金、银、铂或铜等。可选地，第一电极和第二电极可以正好与盖玻片接触或者不与盖玻片接触。可选地，第一电极或第二电极的厚度为40nm-50nm。

本发明实施方式中，衬底、绝缘层和黑磷层在垂直于衬底方向上部分重叠。

本发明实施方式中，所述黑磷光调制器的长度为300nm-500nm。

本发明提供的黑磷光调制器为黑磷的存在提供了稳定的环境，有效地解决黑磷材料容易被氧化的难题，凸显了黑磷材料优异的半导体和光电性能，同时本发明黑磷光调制器的结构不同于传统的脊型波导，缩小了光调制器的尺寸，减小了光调制器的体积。

本发明实施例第二方面提供了一种黑磷光调制器的制备方法，包括：

提供槽型玻片和黑磷光调制器本体，所述槽型玻片包括一凹槽以及与所述凹槽邻接的上表面，在所述凹槽中容置所述黑磷调制器本体；

提供盖玻片，在所述槽型玻片的所述上表面或所述盖玻片表面涂覆无影胶，将所述盖玻片覆盖所述上表面以密封所述凹槽，固化后，得到黑磷光调制器。

本发明实施方式中，在真空条件下或惰性气体条件下容置黑磷光调制器本体。

本发明实施方式中，所述固化的操作包括：先固化6s-10s，然后去除多余的无影胶后，再固化完全，得到所述黑磷光调制器。

本发明实施方式中，在真空条件下涂覆无影胶，以便去除气泡。无影胶具体为3217uv无影胶。

本发明实施方式中，在制备黑磷光调制器之前，先将槽型玻片和盖玻片清洗干净使其干燥并无油脂。可选地，涂覆无影胶时，先从槽型玻片的边缘开始涂覆，注意不能让胶体渗入凹槽内。可选地，选用合适波长(通常为365nm-400nm)及能量的紫外灯或照明用高压汞灯进行照射，光照时要从中央向周边，并确认光线确实能照透至粘合部位。

本发明实施方式中，无影胶(uv胶)又称光敏胶、紫外光固化胶。无影胶是一种必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂，它可以作为粘接剂使用，也可作为油漆、涂料、油墨等的胶料使用。uv是英文ultravioletrays的缩写，即紫外光线。紫外线(uv)是肉眼看不见的，是可见光以外的一段电磁辐射，波长在110-400nm的范围。无影胶固化原理是uv固化材料中的光引发剂(或光敏剂)在紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联化学反应，使粘合剂在数秒钟内由液态转化为固态。无影胶的光学性能优，胶体无色透明且固化后透明率远大于90％。

本发明实施方式中，在槽型玻片的一个侧面设置两个通孔，所述第一电极和所述第二电极分别通过所述两个通孔局部暴露在空气中。具体地，所述第一电极和所述第二电极可以与两个通孔紧密接触以防止空气通过该通孔进入凹槽中。对于通孔的大小不做特殊限制，只要能暴露出部分电极即可。可选地，所述第一电极和所述第二电极的一个侧面分别通过所述两个通孔全部或局部暴露在空气中。

本发明实施方式中，黑磷光调制器的制备方法具体包括：在凹槽内依次镀上衬底(硅)、绝缘层(如氧化铝)、黑磷和电极(如au)。由于黑磷材料的不稳定性，镀上述材料的过程中均在真空箱或手套箱内操作。

本发明第二方面提供的黑磷光调制器的制备方法，制备方法简单、易操作。实施例1：

一种黑磷光调制器，包括：

黑磷光调制器本体、槽型玻片和盖玻片，槽型玻片包括一凹槽，黑磷光调制器本体容置在凹槽中，盖玻片覆盖槽型玻片以密封凹槽；黑磷光调制器本体包括第一电极、第二电极、衬底、绝缘层和黑磷层，衬底、绝缘层和黑磷层依次层叠设置在凹槽中，黑磷层和绝缘层包括向相反方向延伸的延伸端，黑磷层的延伸端上设有第一电极，绝缘层的延伸端上设有第二电极。其中，凹槽的深度为100nm，衬底的材质为硅，衬底的宽度为200nm，厚度为20nm，绝缘层的材质为氧化铝，绝缘层的厚度为20nm，宽度为100nm，黑磷层的厚度为2nm，宽度为10nm，第一电极和第二电极的材质均为金，第一电极和第二电极的厚度均为40nm，最终得到的黑磷光调制器的长度为500nm。

将实施例1得到的黑磷光调制器进行性能测试，图5为本发明一实例中黑磷光波导的te和tm模的模场分布图，采用fdtd软件模拟仿真得到te和tm模在波导中的模场分布。图6为本发明一实例中黑磷光波导的te和tm模损耗随偏置电压的变化图。根据图6的模拟结果和理论计算表明，黑磷光调制器的带宽1ghz(f＝1/2πrc,其中r是电阻，c为电容)、调制深度大于50％、插入耗损小于5db。说明，本发明实施例制得的黑磷光调制器的尺寸较小，且插入耗损较小。

一种黑磷光调制器的制备方法，包括：

提供上述的槽型玻片和黑磷光调制器本体，槽型玻片包括一凹槽以及与凹槽邻接的上表面，在凹槽中容置黑磷调制器本体；

提供盖玻片，在上表面或盖玻片表面涂覆3217uv无影胶，将盖玻片覆盖上表面，固化6s，然后去除多余的无影胶后，再进行固化完全，得到黑磷光调制器。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。