本发明属于光衰减器领域，具体涉及一种基于多级黑磷吸收单元的可调光衰减器。
背景技术：
黑磷是一种与石墨烯类似的二维新型材料，在集成光学领域、信号检测、传感等领域具有很好的应用前景；不同层数的黑磷对不同波段的光具有很强的吸收特性，同时黑磷的吸收特性可以通过外加电压来改变，实现不同程度的光吸收。
在集成光学中，由于硅材料的普遍性和CMOS工艺兼容等特性，制作硅基波导可调谐光衰减器是一个重要的研究方向，如果能将可调谐的硅基波导光衰减器与激光光源，光探测等器件集成在同一衬底上，就可实现光强可调光源，光源信号强度检测，探测器保护等重要功能。利用硅基集成波导，在波导表面铺设黑磷的方式实现衰减可调谐，响应速度快，有很好的可集成性和稳定性；传统的可调谐光衰减多数是利用机械手动的方法实现光衰减调谐，这种调谐机制只能适用于大尺寸的实验平台使用，不便于小型化，集成化以及智能化；传统的基于黑磷的吸收可调衰减器通过调节偏置电压改变衰减程度，由于吸收材料的半导体吸收特性，在偏置电压加到一定程度后，其的吸收强度不会再改变，从而调控范围有限。所以需要一种光衰减器实现多级吸收单元连接，增大调控范围和调控精度。
技术实现要素：
本发明目的在于：本发明提供了一种基于多级黑磷吸收单元的可调光衰减器，解决了现有可调光衰减器因吸收单元的调控范围受其饱和特性影响，导致调控范围窄的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于多级黑磷吸收单元的可调光衰减器，包括信号端和多级等距设置在信号端上的黑磷吸收单元，所述信号端包括硅基、设置在硅基上的介质层和设置在信号端中部的条形波导，所述条形波导设置在介质层上方。
优选地，所述黑磷吸收单元包括第一电极、第二电极、第一层黑磷、第二层黑磷和隔离介质，所述第一电极和第二电极分别设置在黑磷吸收单元两端，所述条形波导位于所述第一电极和第二电极之间的中部，所述第一电极底部与条形波导之间铺设有第一层黑磷，第一层黑磷的条形波导上方设置有隔离介质，所述隔离介质上端与第二电极底部之间铺设有第二层黑磷；便于级联多个黑磷吸收单元，扩宽调控范围；
优选地，所述条形波导包括硅。以硅为波导材料，折射率大，光场约束效果更好，同时可以缩小器件尺寸；
优选地，所述介质层包括二氧化硅；
优选地，所述隔离介质包括硅氧化物和硅氮氧化物。加强与黑磷材料结合的稳定性，同时保证黑磷较高的载流子迁移率，提高器件工作的响应速度；
优选地，所述多级黑磷吸收单元由多个门电路开关控制接通黑磷吸收单元的个数；便于接通不同的吸收单元，实现调控衰减范围。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用多个黑磷吸收单元串联，通过门电路开关接通不同个数的吸收单元，达到对输出光衰减量可大范围调谐的目的，避免了现有调节偏置电压加至一定程度，吸收材料的吸收强度达到极限带来的调控范围窄的缺点；解决了现有可调光衰减器因吸收单元的调控范围受其饱和特性影响，导致调控范围窄的问题，扩宽了调控范围；
2.本发明采用级联多个黑磷吸收单元，每个吸收单元上调控范围受其吸收材料的限制，多个级联，扩宽衰减调控范围，降低了局限性，是目前有效且可行的唯一方法；通过级联多个吸收单元实现衰减粗调控，控制偏压实现细调控，实现扩宽调控范围的同时提高调控精度；
3.本发明使用的硅基波导结构与CMOS工艺具有很好的兼容性，便于加工和集成，使得结构更紧凑；采用黑磷作为吸收材料，吸收效率高，大大缩小器件尺寸，提高其性能的稳定性；
4.本发明采用硅氧化物和硅氮氧化物作为隔离介质，加强与黑磷材料结合的稳定性，同时保证黑磷较高的载流子迁移率，提高器件工作的响应速度；同时以硅为波导材料，折射率大，光场约束效果更好，同时可以缩小器件尺寸，提高其性能的稳定性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的级联结构示意图；
图2是本发明的单个黑磷吸收单元的截面示意图；
图3是本发明的单个黑磷吸收单元的结构示意图；
图4是本发明的级联衰减器接入不同吸收单元情况下的衰减数据图；
图中标记：1-第一电极，2-第一层黑磷，3-隔离介质，4-第二层黑磷，5-条形波导，6-介质层，7-硅基，8-第二电极，9-黑磷吸收单元。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，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。
下面结合图1-4对本发明作详细说明。
一种基于多级黑磷吸收单元的可调光衰减器，包括信号端和多级等距设置在信号端上的黑磷吸收单元9，信号端包括硅基7、设置在硅基7上的介质层6和设置在信号端中部的条形波导5，条形波导5设置在介质层6上方。
黑磷吸收单元9包括第一电极1、第二电极8、第一层黑磷2、第二层黑磷4和隔离介质3，第一电极1和第二电极8分别设置在黑磷吸收单元9两端，条形波导5位于第一电极1和第二电极8之间的中部，第一电极1底部与条形波导5之间铺设有第一层黑磷2，第一层黑磷2的条形波导5上方设置有隔离介质3，隔离介质3上端与第二电极8底部之间铺设有第二层黑磷4；便于级联多个黑磷吸收单元，扩宽调控范围；
条形波导5包括硅。以硅为波导材料，折射率大，光场约束效果更好，同时可以缩小器件尺寸；
介质层6包括二氧化硅；
隔离介质3包括硅氧化物和硅氮氧化物。加强与黑磷材料结合的稳定性，同时保证黑磷较高的载流子迁移率，提高器件工作的响应速度；
多级黑磷吸收单元9由多个门电路开关控制接通黑磷吸收单元9的个数；便于调控衰减范围。
实施例1
工作波长为1.55um时，第一层黑磷2、第二层黑磷4厚度为1.06nm，硅基7厚度为1um，介质层6的材料是二氧化硅，厚度0.6um；条形波导5材料为硅，端面为边长0.4um的正方形；两侧与第一电极1和第二电极8相连，电极材料为金，两电极外接偏置电压；隔离介质3的材料为二氧化硅，厚度为100nm；单个黑磷吸收单元9长度1um，相邻黑磷吸收单元9间隔1um，总共在波导上铺设十个黑磷吸收单元9；首先十个黑磷吸收单元全部处于开路状态，此时器件衰减效果最弱；如果使其中一个吸收单元处于接入电路，吸收单元两端有偏压，调控该偏压在0.1V～0.4V之间变化实现吸收系数α在0～0.182dB/um变化，实现小范围的衰减调控；衰减公式如下：
I＝I0·exp(-α·N·L)
(其中α是衰减系数，N是接入电路的有效吸收单元个数，L是单一吸收单元的长度，I是输出光强，I0是输入光强)；由衰减公式可知，当N＝1时，由α调控的衰减范围很窄，如果使多个吸收单元处于工作状态(有偏压)，N有个较大值，衰减效果能有效增强(如图4所示)，从而总体上扩宽了衰减调控范围。
实施例2
工作波长为0.78um时，第一层黑磷2、第二层黑磷4厚度为0.53nm；其余材料厚度不变，根据波长对应改变黑磷厚度，便于保证光衰减以及调控范围。
实施例3
工作波长为2um时，第一层黑磷2、第二层黑磷4厚度为1.59nm；其余材料厚度不变，根据波长对应改变黑磷厚度，便于保证光衰减以及调控范围。
工作原理：黑磷材料对光具有一定的吸收特性，黑磷铺设在波导芯层表面与导模的衰逝场相互作用，吸收部分光能量，实现导模光强的衰减；黑磷材料的吸收特性与黑磷的层数和外加偏压密切相关，选择适当的黑磷层数可以确定黑磷的吸收中心波长，偏压能在一定程度上改变黑磷载流子浓度，引起材料费米能级发生变化，从而改变黑磷的光吸收能力，实现不同程度的衰减；黑磷对光的吸收强度与有效作用长度相关，作用长度越长，衰减越强，而级联衰减器的总有效长度等于处于通路状态吸收单元个数与单个吸收单元有效作用长度的乘积；通过控制接入电路的吸收单元个数，可以实现不同程度的衰减粗调控，另外可以控制偏压实现细调控，最终完成可调控的衰减。本发明利用多个黑磷吸收单元串联，通过门电路开关接通不同个数的吸收单元，达到对输出光衰减量可大范围调谐的目的，避免了现有调节偏置电压加至一定程度，吸收材料的吸收强度达到极限带来的调控范围窄的缺点；解决了现有可调光衰减器因吸收单元的调控范围受其饱和特性影响，导致调控范围窄的问题，扩宽了调控范围。