一种基于石墨烯共面行波电极吸收型光调制器的制作方法

本发明涉及一种光调制器，特别是一种基于石墨烯共面行波电极吸收型光调制器，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。

为了摆脱光调制器调制带宽受限于rc常数，通过会选取采用相速匹配型行波电极结构。目前，相速匹配型行波电极常见的有微带线结构和共面波导结构。目前，基于石墨烯材料的微带线电极光调制器结构已有报道，例如申请号为201611006448.x的发明专利公开了一种基于石墨烯的微带线行波吸收型光调制器：包括二氧化硅衬底层和条形硅光波导层，在条形硅光波导层上表面依次设置有第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线，并且彼此之间分别被第一绝缘层、第二绝缘层隔离；第一石墨烯微带线的两端分别向远离条形硅光波导层的两侧或同侧延伸出来连接第一电极和第二电极；第二石墨烯微带线的其中一端向远离条形硅光波导层的一侧延伸出来连接第三电极。

申请号为201611006448.x的发明专利需要上下电极之间的严格对准，制备过程复杂。

技术实现要素：

基于以上技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯共面行波电极吸收型光调制器,解决了现有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，基于传统光电材料调制器体积较大，以及目前基于石墨烯微带线行波电极结构中的上下电极之间需要严格对准的难题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯共面行波电极吸收型光调制器，包括衬底层、条形光波导、电介质填充层、电介质隔离层、石墨烯带状线和电极，所述石墨烯带状线包括第一石墨烯带状线、第二石墨烯带状线和第三石墨烯带状线，所述电介质隔离层包括第一电介质隔离层和第二电介质隔离层，所述条形光波导上方依次设置有第一电介质隔离层、第一石墨烯带状线、第二电介质隔离层，所述第二电介质隔离层上设置有第二石墨烯带状线和第三石墨烯带状线，所述第一石墨烯带状线两端分别连接第一电极和第二电极，所述第二石墨烯带状线一端连接第一接地电极和第二接地电极，所述第三石墨烯带状线一端连接第三接地电极和第四接地电极；所述第一接地电极、第二接地电极与第一电极形成gsg(ground-signal-ground)结构，所述第三接地电极、第四接地电极与第二电极形成gsg结构。

进一步的，所述第一石墨烯带状线、第二石墨烯带状线和第三石墨烯带状线与电极的连接部分为光滑的带状曲线。

进一步的，所述电介质填充层包括第一电介质填充层和第二电介质填充层，所述衬底层上设置条形光波导，所述条形光波导两侧分别设置第一电介质填充层与第二电介质填充层。

进一步的，所述衬底层的材料为硅、氮化硅中的一种。

进一步的，所述第一电介质隔离层、第二电介质隔离层的材料为氮化硅、三氧化二铝、氮化硼中任意一种或其组合体，所述第一电介质隔离层的厚度为5nm-20nm，所述第二电介质隔离层的厚度为5nm-120nm。

进一步的，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中任意一种或其组合体。

进一步的，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、钯中任意一种或其组合体。

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、采用gsg电极结构可以使光调制器与微波探针兼容，可以将电压和微波信号直接加载到该光调制器中，使其正常工作，且操作简单。

2、本发明采用了共面行波电极结构，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

3、该gsg电极结构的传输线采用石墨烯材料，使整个光调制器的尺寸变小，易于集成；

4、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

5、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。

6、本发明较之石墨烯微带线行波电极结构，无需两个电极之间的严格对准，制备工艺相对简单。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的立体结构示意图的补充说明图；

图3是本发明的横截面结构示意图；

图4是本发明中石墨烯微带线行波电极的等效电路图；

图中标记：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，4-第一石墨烯带状线，51-第一电极，52-第二电极，6-电介质隔离层，61-第一电介质隔离层，62-第二电介质隔离层，7-第二石墨烯带状线，8-第三石墨烯带状线，91-第一接地电极，92-第二接地电极，93-第三接地电极，94-第四接地电极。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明作详细说明。

一种基于石墨烯共面行波电极吸收型光调制器，包括衬底层1、条形光波导2、电介质填充层、电介质隔离层6、石墨烯带状线和电极，所述石墨烯带状线包括第一石墨烯带状线4、第二石墨烯带状线7和第三石墨烯带状线8，所述电介质隔离层6包括第一电介质隔离层61和第二电介质隔离层62，所述条形光波导2上方依次设置有第一电介质隔离层61、第一石墨烯带状线4、第二电介质隔离层62，所述第二电介质隔离层62上设置有第二石墨烯带状线7和第三石墨烯带状线8，所述第一石墨烯带状线4两端向两侧延伸并分别连接第一电极51和第二电极52，所述第二石墨烯带状线7一端向侧边延伸连接第一接地电极91和第二接地电极92，所述第三石墨烯带状线8一端向侧边延伸连接第三接地电极93和第四接地电极94；所述第一接地电极91、第二接地电极92与第一电极51形成gsg(ground-signal-ground)结构，所述第三接地电极93、第四接地电极94与第二电极52形成gsg结构。

所述第一石墨烯带状线4、第二石墨烯带状线7和第三石墨烯带状线8与电极的连接部分为光滑的带状曲线。

所述电介质填充层包括第一电介质填充层31和第二电介质填充层32，所述衬底层1上设置条形光波导2，所述条形光波导2两侧分别设置第一电介质填充层31与第二电介质填充层32。

所述衬底层1的材料为硅、氮化硅中的一种。

所述第一电介质隔离层61、第二电介质隔离层62的材料为氮化硅、三氧化二铝、氮化硼中任意一种或其组合体，所述第一电介质隔离层61的厚度为5nm-20nm，所述第二电介质隔离层62的厚度为5nm-120nm。

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、硼氮化物或氢硅倍半氧烷中任意一种或其组合体。

所述第一电极51、第二电极52、第一接地电极91、第二接地电极92、第三接地电极93、第四接地电极94的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中任意一种或其组合体。

本发明的工作原理是：光调制器件工作时，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4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。由于采用了共面行波电极结构，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，结合具体实施例来对本发明做进一步详细说明。

具体实施例

本实施例基于石墨烯共面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，光波从条形光波导2端口接入，条形光波导2的高度和宽度分别为220nm和500nm，采用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61、第二电介质隔离层62分别为5nm、20nm厚的sin材料；第一石墨烯带状线4、第二石墨烯带状线7、第三石墨烯带状线8的材料是单层石墨烯，且彼此之间的间距为5μm；覆盖在条形光波导2表面上的第一石墨烯带状线4的宽度为5μm；第一电极51、第二电极52、第一接地电极91、第二接地电极92、第三接地电极93和第四接地电极94的材质均为在钯金属上镀上金作为接触电极；第一石墨烯带状线4的两端分别向条形光波导2的两侧延伸出来连接第一电极51和第二电极52，作为微波调制信号的接入电极和引出电极；第二石墨烯带状线7的一端在第一电极51左右两侧分别延伸出来连接第一接地电极91、第二接地电极92，作为接地电极；第一接地电极91、第一电极51、第二接地电极92彼此之间的间距为30μm，共同构成gsg电极结构；第三石墨烯带状线8的一端在第二电极52左右两侧分别延伸出来连接第三接地电极93、第四接地电极94作为接地电极；第三接地电极93、第二电极52、第四接地电极94彼此之间的间距为30μm，共同构成gsg电极结构；这两个gsg电极结构共同构成共面行波电极结构。

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。

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。

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。