基于石墨烯‑二硫化钼异质结的带可调谐光栅的M‑Z电光调制器的制作方法

本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种一种基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器。

背景技术：

光调制器是光通信系统中的关键器件，其性能的优劣直接影响着光信号的传输质量和系统的稳定性。m-z电光调制器是一种采用干涉仪结构的外调制器，通过对参考臂和调制臂施加不同电压，改变光波相位，使得光波在输出端发生干涉相长或相消，从而将相位变化转变为光强变化，实现强度调制。光栅是指光学参量或空间结构分布具有周期性变化的衍射系统，可以对光进行反射、折射、干涉和衍射。传统的光栅是在材料表面通过光刻形成永久性刻槽，因此谐振波长固定。为了满足高速大容量光通信的要求，可调谐光栅的研究成为热点。大部分硅基可调谐光栅都是利用硅的热光效应和载流子色散效应，但是硅的热光效应对光信号的响应速度慢，载流子色散效应较弱，谐振波长改变量较小。

石墨烯是排列成二维密集蜂窝状晶格结构的碳原子单层，单层石墨烯的吸收率为2.3％，可用作光吸收材料。石墨烯还具有特殊的零带隙能带结构，使传递电子的速率比已知导体都快，接近光速的1/300；电阻率只有约10^-6ω·cm，是已知的电阻率最小的材料；载流子迁移率高达200000cm²/(v·s)，这为制备高速电光调制器提供了可能性。石墨烯的有效折射率受外加电场的调控，利用其电致折射效应，一方面可以用于改变光栅的谐振波长；另一方面可以加到m-z电光调制器的两臂上，改变光波相位，进而改变输出光的光强。

二硫化钼是过渡金属硫化物中的一种，分子为x-m-x夹心结构，层内作用力为共价键，层间相互作用为弱的范德华力。单层二硫化钼是禁带宽度为1.9ev的直接带隙材料，具有良好的电子迁移率，约为700cm²/(v·s)，开关比高达108。电学和光学特性优异。

以上方案也存在问题：(1)传统的m-z干涉仪多采用电光效应，尺寸较大，调制深度差，消光比小，不便于集成，温度容差小；(2)利用热光效应和载流子色散效应制成的可调谐光栅的性能不能很好地满足高速大容量光通信系统的要求；(3)基于石墨烯的m-z电光调制器的设计是将多层石墨烯直接嵌入到脊波导中，有效折射率的变化较小，制作工艺复杂。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术尺寸大不便于集成、调制深度差、消光比小、温度容差小的难题，提供了一种基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器，包括衬底层、嵌设在衬底层内依次相连接的输入输出可调谐光栅、输入输出直光波导、s弯曲型y分支波导和两臂直光波导，所述输入输出可调谐光栅、输入输出直光波导、s弯曲型y分支波导和两臂直光波导的波导上表面与衬底层的上表面在同一平面上，所述两臂直光波导上设置有第一石墨烯覆盖层，第一石墨烯覆盖层包括从下到上依次设置的第二石墨烯层、二硫化钼和第一石墨烯层，第二石墨烯层上连接的第二电极，第一石墨烯层上连接的第一电极和第三电极，第一电极和第三电极未接触，所述输入输出可调谐光栅设置有第二石墨烯覆盖层，第二石墨烯覆盖层包括从下到上依次设置的第四石墨烯层、氮化硼隔离层和第三石墨烯层，设置在第四石墨烯层上的第五电极和设置在第三石墨烯层上的第四电极,其中，第三石墨烯层和第四石墨烯层均为叉指电极结构。

所述第一石墨烯覆盖层上的第一石墨烯层和第二石墨烯层被二硫化钼隔开构成异质结。

所述两臂直光波导包括参考臂和调制臂，所述第一石墨烯层从参考臂和调制臂向外延伸，并分别与参考臂上的第一电极和调制臂第三电极相连接，所述第二石墨烯层覆盖在参考臂和调制臂上，并与设在参考臂和调制臂中间的第二电极相连接。

所述输入输出可调谐光栅的波导结构为掩埋型波导，第三石墨烯层向外延伸并连接到第四电极，第四石墨烯层向外延伸并连接到第五电极。

所述m-z调制器的分支波导为s弯曲型y分支波导。

所述衬底层的材料为二氧化硅。

所述输入输出可调谐光栅、输入输出直光波导、s弯曲型y分支波导、两臂直光波导的波导材料均为氮化硅。

所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的任意一种或者任意两种以上的合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、用氮化硅作为波导材料，具有超低的光损耗和较低的热光系数，插入损耗小，对环境温度的容忍度大。

2、相比于传统的m-z电光调制器具有更小的尺寸，在参考臂和调制臂上引入石墨烯-二硫化钼异质结大大增强了光与石墨烯的相互作用，增大了有效折射率实部的改变量，从而降低了尺寸，且采用s弯曲型y分支波导，使器件弯曲损耗大大降低。

3、可调谐光栅可以对不同波长的光进行谐振，从而大大增加了光通信的传输容量，可用于波分复用系统。

4、石墨烯材料具有宽光谱响应的优势，且与传统cmos工艺兼容，另外由于石墨烯的载流子迁移率很高，为高速调制提供了可能。

5、通过使二硫化钼与第一石墨烯层、第二石墨烯层构成异质结，充分发挥了石墨烯和二硫化钼材料的优势，提高了消光比，增大了调制深度。

附图说明：

图1是本发明的基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器的调制臂直波导的截面示意图；

图2是本发明的基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器的结构示意图；

图3是本发明的基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器的输入输出可调谐光栅的结构示意图；

图4是本发明的基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器的实施例工作原理示意图；

图中标记：1、衬底层，2、输入输出可调谐光栅，3、输入输出直光波导，4、s弯曲型y分支波导，5、两臂直光波导，51、参考臂，52、调制臂，6、第一石墨烯覆盖层，61、第一石墨烯层，62、二硫化钼，63、第二石墨烯层，64、第一电极，65、第二电极，66、第三电极，71、第三石墨烯层，72、氮化硼隔离层，73、第四石墨烯层，74、第四电极，75、第五电极。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图，一种基于石墨烯-二硫化钼异质结的带可调谐光栅的m-z电光调制器，包括衬底层1、嵌设在衬底层1内依次相连接的输入输出可调谐光栅2、输入输出直光波导3、s弯曲型y分支波导4和两臂直光波导5，所述输入输出可调谐光栅2、输入输出直光波导3、s弯曲型y分支波导4和两臂直光波导5的波导上表面与衬底层1的上表面在同一平面上，所述两臂直光波导5上设置有第一石墨烯覆盖层6，第一石墨烯覆盖层6包括从下到上依次设置的第二石墨烯层63、二硫化钼62和第一石墨烯层61，第二石墨烯层63上连接的第二电极65，第一石墨烯层61上连接的第一电极64和第三电极66，第一电极64和第三电极66未接触，所述输入输出可调谐光栅2设置有第二石墨烯覆盖层，第二石墨烯覆盖层包括从下到上依次设置的第四石墨烯层73、氮化硼隔离层72和第三石墨烯层71，设置在第四石墨烯层73上的第五电极75和设置在第三石墨烯层71上的第四电极74。其中，第三石墨烯层71和第四石墨烯层73均为叉指电极结构。

作为本发明一种优选的方式，所述第一石墨烯覆盖层6上的第一石墨烯层61和第二石墨烯层63被二硫化钼62隔开构成异质结。

所述两臂直光波导5包括参考臂51和调制臂52，所述第一石墨烯层61从参考臂51和调制臂52向外延伸，并分别与参考臂51上的第一电极64和调制臂52上的第三电极66相连接，所述第二石墨烯层63覆盖在参考臂51和调制臂52上，并与设在参考臂51和调制臂52中间的第二电极65相连接。

所述输入输出可调谐光栅2的波导结构为掩埋型波导，第三石墨烯层71向外延伸并连接到第四电极74，第四石墨烯层73向外延伸并连接到第五电极75。

所述m-z调制器的分支波导为s弯曲型y分支波导4。

所述衬底层1的材料为二氧化硅。

所述输入输出可调谐光栅2、输入输出直光波导3、s弯曲型y分支波导4和两臂直光波导5的波导材料均为氮化硅。

所述第一电极64、第二电极65、第三电极66、第四电极74和第五电极75的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的任意一种或者任意两种以上的合金。

本发明的光调制器工作原理如下：

偏置电压通过第四电极74和第五电极75加在第二石墨烯覆盖层上，改变偏置电压，使采用叉指电极结构周期性覆盖的石墨烯的波导的有效折射率随外加电场改变而改变，而没有石墨烯覆盖的波导的折射率保持不变，所以在光传播的方向上，波导的有效折射率随外加电场的变化呈现周期性变化，又因为光栅的谐振波长与有效折射率有关，所以形成可调谐波导光栅。

对于m-z电光调制器，当偏置电压通过第一电极64、第二电极65、第三电极66分别加在参考臂51和调制臂52上的第一石墨烯覆盖层6上时，石墨烯的复介电常数受到外加电场的调谐，从而影响两臂直光波导5对光的折射，使得光波的相位发生改变，在输出s弯曲型y分支波导4处发生干涉。二硫化钼62具有跟石墨烯互补的电学和光学特性，可以发挥二硫化钼和石墨烯的优势，构成的异质结可以增强光与物质的相互作用。当第一电极64和第三电极66的电压相同时，即处于静态工作点，参考光波和调制光波的相位差为0，二者发生相干相长，输出光强最大，相当于“on”状态；当第一电极64和第三电极66的电压不同且参考光波和调制光波的相位差为π时，二者发生相干相消，输出光强最小，相当于“off”状态。因此，通过调控参考臂51和调制臂52的第一石墨烯覆盖层6的光学特性即可实现对光信号的强度调制。

实施例一

结合附图，本实施例采用波长为1.55μm的光波，衬底层1材料为二氧化硅，输入输出可调谐光栅2、输入输出直光波导3、s弯曲型y分支波导4、两臂直光波导5的波导材料为氮化硅，输入输出可调谐光栅2、输入输出直光波导3、s弯曲型y分支波导4、两臂直光波导5的波导的宽度和厚度分别为1μm和0.3μm。第一电极64、第二电极65、第三电极66、第四电极74和第五电极75的材质为金。

图4是本实施例电光调制器工作原理示意图，首先对输入输出可调谐光栅2的第四电极74和第五电极75外加电压，使电压差为v3，调控石墨烯的有效折射率，使得可调谐光栅2对1.55μm波长的光谐振满足公式：

λb＝2neff·λ·sinθ(1)

式中，neff为芯层波导的有效折射率，本例中neff对应模式有效折射率，与石墨烯复折射率密切相关；λ为光栅周期，即叉指电极间距；θ为光波入射出射角度；λb为谐振波长，本例中取为1.55μm。式中的neff受外加电压v3调控。

石墨烯复折射率受电场调控，即当第一电极64和第三电极66对应电压v1与v2发生改变时，石墨烯复折射率改变，对应模式有效折射率发生改变。

使v1与v2取值相同，则参考臂51和调制臂52中光波的模式有效折射率相同，两光波在通过两臂后，对应相位差为0，发生干涉相长，使得透过率最大，即“on”状态；然后改变参考臂电压v1和调制臂电压v2的值，使v1和v2分别对应模式有效折射率实部的最小值和最大值，相位差与有效折射率的关系如下式所示：

式中，δre(neff)为波导中模式有效折射率实部的改变量；λ为入射波长；l为参考臂51和调制臂52的长度。通过控制臂长使两光波通过两臂后对应的相位差为π，发生干涉相消，使得透过率最小，即“off”状态，从而实现调制。