基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器的制作方法

一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器，用于实现光调制速率，属于光电子技术领域。

背景技术：

随着大数据时代的到来，数据通信业务呈爆炸式增长，这就使得人们对带宽的需求越来越高，也就决定了光传输系统向超高速、大容量、集成化的方向发展。光调制器和光开关是光通信网络中的核心器件，对光通信网络的构建起到重要的作用。目前，基于各种机制的光调制器都已先后被研发并制备出来，目前商用化的调制器主要是基于铌酸锂材料和inp基的光调制器。最近几年，基于si基的光调制器也被制备出来，虽然其与传统的cmos工艺兼容，但受其材料本身的限制，再加上目前的光调制器大多采用集总电极结构，调制带宽受rc常数的限制，光调制器的带宽突破50ghz仍然是一个难题。

石墨烯材料超宽光谱的吸收范围，超高的载流子迁移率，其光学特性可以被人为调控，并且其工艺与传统cmos工艺兼容，被认为是未来si材料的替代者，是制作光调制器的理想材料(见文献kinamkim,etal.aroleforgrapheneinsilicon-basedsemiconductordevices.nature,2011,vol479,p338-344)。目前，基于石墨烯材料的光学调制器已经得到广泛的研究，但实现的光调制速率却不是很理想，目前文献报道的最大调制带宽在35ghz左右(见文献h.dalir,etal.athermalbroadbandgrapheneopticalmodulatorwith35ghzspeed,acsphotonics3,2016)，还不及传统si基光调制器所实现的调制带宽。这主要受限于集总电极结构的较大rc常数限制。而石墨烯材料具有超高的载流子迁移率，其本征的工作带宽可达500ghz。

技术实现要素：

本发明的目的在于：解决现有技术中基于石墨烯光调制器受限于集总电极结构的较大rc常数，造成调制带宽比较小的问题，提供了一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器，其特征在于，包括衬底层，设置在衬底层表面上的条形光波导和电介质填充层，设置在条形光波导上的微带线行波电极结构；微带线行波电极结构包括从下到上在条形光波导上依次设置的第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线，隔离条形光波导、第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线的电介质隔离层，第一石墨烯微带线的上连接的第一电极和第二电极，分别在第一电极和第二电极的两侧，第二石墨烯微带线上连接的第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极和第四接地电极。

进一步，所述条形光波导将衬底层的表面分为两部分；所述电介质填充层包括被条形光波导隔离的第一电介质填充层和第二电介质填充层；所述衬底层的材料为二氧化硅。

进一步，所述条形光波导与第一石墨烯微带线被第一电介质隔离层隔离，第一石墨烯微带线与第二石墨烯微带线被第二电介质隔离层隔离，所述的第一电介质隔离层、第二电介质隔离层的材料为氮化硅、三氧化二铝、氮化硼材料之一或其组合体。

进一步，所述条形光波导是硅、氮化硅材料之一。

进一步，所述第一电介质填充层和第二电介质填充层的材料是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氢硅倍半氧烷材料之一或其组合体。

进一步，所述第二电介质隔离层的厚度为5nm～120nm。

进一步，所述第一电极、第二电极、第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极、第四接地电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。

进一步，所述第一石墨烯微带线向第一电介质填充层和第二电介质填充层一侧延伸，延伸出第二电介质隔离层后两端分别与第一电极和第二电极相连接，第一电极和第二电极中一个电极作为微波信号的接入电极，另一个电极作为微波信号的引出电极；沿第一石墨烯微带线的延伸方向，第二石墨烯微带线分别延伸出第二电介质隔离层连接第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极和第四接地电极，所述第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极、第四接地电极均作为接地电极。

进一步，所述第一接地电极、第二接地电极在第一电极的两侧，共同构成gsg电极结构；第三接地电极、第四接地电极在第二电极的两侧，共同构成gsg电极结构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用了微带线行波电极结构，光调制器的调制带宽将不受限于rc常数，可以大大提高调制带宽，又是基于条形光波导，制备相对较简单；

2、本发明光调制器波导可以基于soi晶片，制备工艺上可与传统的soicmos工艺相兼容，易于集成，且较之传统的行波结构光调制器，本发明光调制器结构无需严格的相速匹配，即可实现超宽的调制带宽，有望突破200ghz。

3、本发明行波光调制器可以通过设计特定的石墨烯-金属接触面的长度和宽度和两层石墨烯传输线之间的电介质材料和厚度，来设计整个光调制器的阻抗值大小，从而实现行波传输线的阻抗匹配，提高调制效率。

4、本发明光调制器的接入和引出电极均采用了gsg结构电极，与现有的gsg微波探针测试接口兼容，测试方便。

附图说明

图1为本发明一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器的立体结构示意图。

图2为本发明一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器中立体结构示意图的补充说明图，是第一石墨烯微带线结构的补充说明图。

图3为本发明一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器在有第一石墨烯微带线、第二石墨烯微带线覆盖处的条形光波导的波导横截面结构示意图；

图4为本发明中石墨烯微带线行波电极的等效电路图；

图5为本发明中条形光波导中te模的有效折射率虚部随着石墨烯化学势能的变化图；

图6为本发明分别在“on”和“off”状态下不同石墨烯长度作为调制区域时的归一化输出功率曲线图。

图中，1-衬底层，2-条形光波导，31-第一电介质填充层，32-第二电介质填充层，41-第一电介质隔离层，42-第二电介质隔离层，5-第一石墨烯微带线，6-第二石墨烯微带线，71-第一电极，72-第二电极，81-第一接地电极，82-第二接地电极，83-第三接地电极，84-第四接地电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器，如图1、图2和图3所示，包括设置在二氧化硅衬底层1上的条形光波导2；条形光波导2将衬底层1的表面分为两部分，条形光波导2的两侧，二氧化硅衬底层1上设置有第一电介质填充层31和第二电介质填充层32；在条形光波导2的上表面从下到上依次设置有第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线6，条形光波导2与第一石墨烯微带线5被第一电介质隔离层41隔离、第一石墨烯微带线5与第二石墨烯微带线6被第二电介质隔离层42隔离；第一石墨烯微带线5的两端向第一电介质填充层31和第二电介质填充层32一侧延伸，延伸出第二电介质隔离层42后两端分别与第一电极71和第二电极72相连接，作为微波调制信号的接入和接出电极；第二石墨烯微带线6分别在第一电极71和第二电极72的两侧延伸出来连接第一接地电极81、第二接地电极82和第三接地电极83、第四接地电极84，分别与第一电极和第二电极构成gsg电极结构。

所述条形光波导2是硅、氮化硅材料之一。

所述第一电介质隔离层41、第二电介质隔离层42的材料为氮化硅、三氧化二铝、氮化硼材料之一或其组合体。

所述第一电介质填充层31和第二电介质填充层32的材料是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或hsq材料之一或其组合体。

所述第二电介质隔离层42的厚度为5nm～120nm。

所述第一电极71、第二电极72、第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83、第四接地电极84的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。

所述第一电极71、第二电极72中一个电极作为微波信号的接入电极，另一个电极作为微波信号的引出电极；所述第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83、第四接地电极84均作为接地电极；所述第一接地电极81、第二接地电极82在第一电极71的两侧，共同构成gsg电极结构；第三接地电极83、第四接地电极84在第二电极72的两侧，共同构成gsg电极结构；两个gsg电极结构与第一石墨烯微带线5、第二石墨烯微带线6和电介质隔离层共同构成微带线行波电极结构；两个gsg电极结构与现有的gsg微波探针测试接口兼容。

本发明的光调制器工作原理为：器件工作时，偏置电压通过gsg微波探针加载在gsg电极上，通过改变电压，动态调谐石墨烯的复介电常数，从而影响条形光波导对光的吸收。有效折射率实部对应着光信号的相位变化，而其虚部对应着光信号的衰减。第一石墨烯微带线5既作为微波信号的传输线，又作为光信号的吸收调控材料，当外加偏置电压工作在某一个点时，使得石墨烯-条形光波导(第一石墨烯微带线5、第二石墨烯微带线6和条形光波导2)对光信号有着较强的吸收，条形光波导几乎无光信号输出，即为“offstate”；而改变外加偏置电压工作在另外一个点时，使得石墨烯-条形光波导对光信号吸收非常小，光信号从条形光波导输出，即为“onstate”。因而，通过调控石墨烯的光学特性即可实现对光信号的调制功能。由于采用了行波电极结构，其调制带宽不再受限于rc常数的限制，其调制带宽可由如下公式估算:

其中c为真空中的光速度，l为调制区域的有效调制区域长度，nm为微波信号的有效折射率，n0为光波在波导中的有效折射率。石墨烯与光信号有较强的相互作用，因而只需要较短的石墨烯长度l即可实现较强的光吸收，即无需严格的相速匹配，即|nm-n0|无需非常小的值，即可实现超宽的调制带宽。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：本实施例一种基于条形光波导的石墨烯微带线行波吸收型光调制器的结构示意图如图1、图2和图3所示。采用波长为1.55μm的光波，从条形光波导2的任意一端口接入，条形光波导2的高度和宽度分别为220nm和500nm，是si材料；第一电介质填充层31、第二电介质填充层32均为hsq材料；第一电介质隔离层41、第二电介质隔离层42分别为5nm、20nm厚的hbn材料；第一石墨烯微带线5、第二石墨烯微带线6的材料是单层石墨烯，其特定的微带线图案可由电子束光刻来定义，再由氧等离子体将多余部分的石墨烯刻蚀掉来得到；第一电极71、第二电极72、第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83和第四接地电极84的材质均为在钯金属上镀上金作为接触电极；第一石墨烯微带线5的两端分别延伸出来连接第一电极71和第二电极72，作为微波调制信号的接入电极和引出电极；第二石墨烯微带线6的一端在第一电极61左右两侧均有延伸出来连接第一接地电极81和第二接地电极82，作为接地电极，并与第一电极71构成gsg电极结构；第二石墨烯微带线6的另外一端在第二电极72左右两侧均有延伸出来连接第三接地电极83和第四接地电极84，作为接地电极，并与第二电极72构成gsg电极结构。

图4是本发明实施例石墨烯微带线行波电极的等效电路图。石墨烯与金属电极之间有欧姆接触电阻rc，第一石墨烯微带线5的宽度为5μm，第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线6之间的第二电介质层92的厚度为20nm，根据微带线行波传输线模型，第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线6构成的行波传输线特征阻抗z0≈3ω，而整个调制器总的阻抗值是由石墨烯与金属电极之间的欧姆接触电阻和行波传输线特征阻抗一起构成的，为达到阻抗匹配，减小微波反射，整个调制器总的阻抗值应当接近50ω。石墨烯与金属电极之间的欧姆接触电阻rc值大小，是与石墨烯与金属的良好接触密切相关，而且有石墨烯-金属接触面越宽，其欧姆接触电阻rc值越小，可由公式rc＝rg-m/w估算，其中rg-m是石墨烯与金属的接触电阻，其值大小一般在100～3000ω·μm范围变化，与石墨烯材料的质量有关，w是石墨烯-金属的接触面宽度，因而我们可以通过设计合理的石墨烯-金属的接触面的宽度来设计合理的rc值的大小，来实现阻抗匹配，提高调制效率。

图5是本发明实施例te模的有效折射率随着石墨烯化学势能的变化图。本实施例波导结构只支持te基模传输，当石墨烯化学势能在0～0.4ev时，te模有效折射率虚部值比较大，在石墨烯化学势能在0.5～1ev时，te模有效折射率虚部值比较小，分别选取石墨烯化学势能在0ev和0.7ev作为“off”和“on”状态，光信号通过该光调制器时的归一化输出功率变化曲线如图6所示。当覆盖在条形光波导的石墨烯覆盖长度为200μm时，该光调制结构可实现22.2db的消光比，而插入损耗只有0.72db。

从式(1)可知，当l＝250μm，即使微波与光波之间的有效折射率差值为2，该光调制器的3db调制带宽可高达267.2ghz。而微波与光波之间的有效折射率差值可根据绝缘层材料的选取而进一步缩小，实现微波信号与光波信号的速度匹配，所以可以实现更高的调制带宽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。