一种混合波导集成石墨烯中红外全光调制器

1.本发明属于光通讯技术领域的一种光强调制器件，具体涉及了一种蓝宝石
‑ꢀ
硅-硫系材料-石墨烯体系的混合波导集成中红外全光调制器。


背景技术：

2.中红外波段(2-20μm)是极具工程应用价值的一个光学波段。首先其包含 了多数化学分子，生物分子的吸收指纹(7μm-20μm)，可用于化学气体传感， 生物信息传感。其包含大气窗口(3-5μm及8-14μm)，可用于对于热成像，红 外对抗，自由空间通信。其在2μm波段的水吸收性较强，且对于人类组织穿透 性低，可用于风向跟踪以及精准外科手术。其中，自由空间通信为无光纤点对 点双向信息传输的一种技术，在带宽接入，广域网和城域网扩展，局域网互联， 深空通信等有着重要意义和广阔的应用前景。在上述应用中，离不开中红外激 光器、放大器、光开关、光调制器、探测器、波分复用器、功分器等功能器件。 芯片级中红外器件为极大提高中红外应用系统的性能，减小系统体积，提供了 重要的基础性条件，特别地，对于中红外芯片集成型调制器的研究，为构建紧 凑型高速低功耗3-5μm波段空间光通信系统提供了关键的支撑。


技术实现要素：

3.为提高当前3-5μm波段中红外调制器的调制速度，降低调制功耗，本发明 实施例的目的是提供一种基于蓝宝石-硅-硫系玻璃-石墨烯体系的具有强光与物 质相互作用的混合波导集成中红外调制器，通过石墨烯与te0，tm0的强相互 作用，实现低功耗调制；利用石墨烯的可饱和吸收效应，实现超高速全光调制。
4.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是包括：
5.器件结构包括：
6.包括蓝宝石衬底；
7.包括硅波导传输层，形成在蓝宝石衬底之上，使用键合工艺与在所述蓝宝 石衬底集成制备；
8.包括石墨烯层或者硫系条形波导，位于硅波导传输层上；石墨烯层位于硫 系条形波导上表面或者下表面；硫系条形波导形成在石墨烯层上，具体是使用 热蒸发工艺生长在石墨烯层上。
9.包括硫系材料层，形成在蓝宝石衬底或者硅波导传输层上，具体是使用热 蒸发生长制备，用于包覆硅波导传输层、石墨烯层、硫系条形波导，提供波导 保护。
10.设置了一层硅波导传输层、一层石墨烯层和一层硫系条形波导，硅波导传 输层整体形成在蓝宝石衬底之上，硫系条形波导位于硅波导传输层的中间上， 石墨烯层位于硫系条形波导下表面和硅波导传输层之间；
11.所述的硫系材料层包括硫系盖层，硫系盖层形成硅波导传输层上，包覆石 墨烯层、硫系条形波导。
12.由所述的硅波导传输层与硫系条形波导构成混合脊型波导，te0模式的光 信号从由硅波导传输层和硫系条形波导构成的混合脊型波导中传播，与所述的 石墨烯层进行强相互作用。
13.tm0模式的光信号从混合脊型波导一端传入，从混合脊型波导另一端传出， 所述的石墨烯层直接与te0模式的光信号进行相互作用，实现全光调制。
14.设置了一层硅波导传输层、一层石墨烯层和一层硫系条形波导，硅波导传 输层整体形成在蓝宝石衬底之上，硫系条形波导位于硅波导传输层的中间上， 石墨烯层位于硫系条形波导上表面上；
15.所述的硫系材料层包括硫系平整化层和硫系盖层，硫系平整化层形成硅波 导传输层上并包覆硫系条形波导，硫系盖层形成硫系平整化层上并包覆石墨烯 层。
16.tm0模式的光信号从硅波导和硫系条形波导形成整体一端传入，从硅波导 和硫系条形波导形成整体另一端传出，tm0模式的光信号从所述的硫系条形波 导中传播，与所述的石墨烯层相互作用，实现全光调制。
17.设置了一层硅波导传输层和一层石墨烯层，硅波导传输层形成在蓝宝石衬 底的中间上，石墨烯层位于硅波导传输层之上；
18.所述的硫系材料层包括硫系平整化层和硫系盖层，硫系平整化层形成蓝宝 石衬底上并包覆硅波导传输层，硫系盖层形成硫系平整化层上并包覆石墨烯层。
19.tm0模式的光信号从硅波导一端传入，从硅波导另一端传出，tm0模式的 光信号从所述的硅波导中传播，与所述的石墨烯层相互作用，实现全光调制。
20.所述的蓝宝石衬底采用蓝宝石材料。
21.所述的石墨烯层采用石墨烯材料。
22.所述的硅波导传输层采用硅材料。
23.所述的硫系条形波导、硫系平整化层和硫系盖层采用包括但不限于ge23sb7s70和ge2sb2se5组分的硫系玻璃材料。
24.所述的材料体系由于具有宽红外窗口和高光学非线性的特点，使得器件能 够低损工作在中红外波段。
25.所述的波导结构可以为硅平板/硫系条形波导结构，也可以为硅条形波导结 构。
26.对于硅平板/硫系条形波导结构，所述的石墨烯可转移在硫系条形波导结构 的上下表面；对于硅条形波导结构，所述的石墨烯转移在硅条形波导结构的上 表面。
27.本发明使用包括但不限于两种波导结构，其中硅平板层与硫系条形波导构 成混合脊型波导结构，支持te0模式以及tm0模式光信号传输并调制；其中蓝 宝石衬底与硅条形波导结构，支持tm0模式信号传输并调制；在该两类波导结 构中，石墨烯层可分别集成在te0模式和tm0模式场强极大值处。
28.本发明的调制器使用了石墨烯，使用一束调制光调制另一束通信光，可以 直接使用石墨烯的可饱和吸收效应进行超高速全光调制。
29.本发明的有益效果：
30.本发明中的衬底以及波导结构，支持3-5μm波段的信号光进行低损传输， 同时石墨烯可以被中红外波段吸收，从而对信号光进行调制。
31.本发明基于该材料体系，可以制备出硅平板/硫系条形波导结构，支持te0， tm0模
式传输，也可以制备蓝宝石衬底/硅条形波导结构，支持tm0模式传输。 由于是混合材料体系，在两种波导结构中，石墨烯均可灵活转移在模式光场极 大值处，使得石墨烯与信号光的相互作用得到极大增强，从而降低了光功耗。
32.本发明基于中红外低损的蓝宝石-硅-硫系材料混合波导结构，灵活集成石墨 烯，极大增强光与物质相互作用，同时利用石墨烯的超快速可饱和吸收效应， 为实现中红外波段超快速、超低功耗的全光调制器提出了新的解决方案。
附图说明
33.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明 的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
34.图1是实施例1示出的蓝宝石衬底/硅平板波导层/硫系条形波导/硫系介质层 及盖层结构示意图。
35.图2是实施例2示出的蓝宝石衬底/硅平板波导层/硫系条形波导/硫系介质层 及盖层结构示意图。
36.图3是实施例3示出的蓝宝石衬底/硅条形波导/硫系介质层及盖层结构示意 图。
37.图4是图1所示的蓝宝石衬底/硅平板波导层/硫系条形波导结构的te0模场 分布图。
38.图5是图2所示的蓝宝石衬底/硅平板波导层/硫系条形波导结构的tm0模 场分布图。
39.图6是图3所示的蓝宝石衬底/硅条形波导结构的tm0模场分布图。
40.图7为是全光调制的基本调制过程。
41.图8是全光调制器的直波导器件形式示意图，(a)表示实施例1的直波导 形式器件俯视图，(b)表示实施例2或3的直波导形式器件俯视图。
42.图9是全光调制器的微环波导形式示意图，(a)实施例1的微环形式器件 俯视图，(b)表示实施例2或3的微环形式器件俯视图。图中：蓝宝石衬底(1)、硅波导传输层(2)、石墨烯层(3)、硫系条形 波导(4)、硫系平整化层(5)、硫系盖层(6)。
具体实施方式
43.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描 述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。 以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方 式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一 致的装置和方法的例子。
44.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本 发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述
”ꢀ
和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解， 本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所 有可能组合。
45.本发明的实施例如下：
46.实施例1
47.如图1所示，本实施例在蓝宝石衬底1之上设置了一层硅波导传输层2、一 层石墨烯层3和一层硫系条形波导4，硅波导传输层2整体形成在蓝宝石衬底1 之上，硫系条形波导4位于硅波导传输层2的中间上，石墨烯层3位于硫系条 形波导4下表面和硅波导传输层2之间，石墨烯层3宽度大于硫系条形波导4 宽度，石墨烯层3转移制备在硅波导传输层2上；
48.所述的硫系材料层包括硫系盖层6，硫系盖层6形成硅波导传输层2上，具 体是使用热蒸发工艺生长在硅波导传输层2上，包覆石墨烯层3、硫系条形波导4。
49.由所述的硅波导传输层2与硫系条形波导4构成混合脊型波导，te0模式 的光信号从由硅波导传输层2和硫系条形波导4构成的混合脊型波导中传播， 与所述的石墨烯层3进行强相互作用。
50.本实施例中，图4是波导结构的te0模式的场分布仿真结果。子图从左到 右分别为总场强e，x分量e
x
，y分量ey，z分量ez。电场分量方向如图所示， 其中z方向与截面垂直，为光传播方向。
51.具体地，石墨烯层3处于总场强e的极大值处，同时也是e
x
的极大值e
xmax
处。电场x分量e
x
偏振方向与石墨烯平面平行，能与石墨烯进行强相互作用。 利用石墨烯层3的可饱和吸收效应，可实现超高速全光调制。
52.可见本发明这样结构下，硅波导传输层2、石墨烯层3和硫系条形波导4依 次从下到上布置。石墨烯层3位于光场最强处，石墨烯层3和光场作用，光场 作用增强，使得调制性能增强。本发明是通过硫系波导-硅平板传输层的结构设 置，带来了光场极大值可以集中于硫系波导与硅平板波导界面处的特性，实现 了光与物质相互作用增强，减小器件体积，降低光功耗，增大调制深度的效果。
53.实施例2
54.如图2所示，本实施例在蓝宝石衬底1之上设置了一层硅波导传输层2、一 层石墨烯层3和一层硫系条形波导4，硅波导传输层2整体形成在蓝宝石衬底1 之上，硫系条形波导4位于硅波导传输层2的中间上，石墨烯层3位于硫系条 形波导4上表面上，石墨烯层3宽度大于硫系条形波导4宽度，石墨烯层3转 移制备在硫系条形波导4上；
55.所述的硫系材料层包括硫系平整化层5和硫系盖层6，硫系平整化层5形成 硅波导传输层2上并包覆硫系条形波导4，硫系盖层6形成硫系平整化层5上并 包覆石墨烯层3，具体是使用热蒸发工艺生长制备。
56.这样情况下，是将石墨烯层3转移在硫系条形波导4上方。在转移制备石 墨烯层3之前，进行生长硫系平整化层5以及进行平整化工艺。
57.本实施例中，图5是波导结构的tm0模式的场分布仿真结果。子图从左到 右分别为总场强e，x分量e
x
，y分量ey，z分量ez。具体地，电场z分量ez偏振方向与石墨烯平面平行，能与石墨烯进行强相互作用。利用石墨烯的可饱 和吸收效应，可实现超高速全光调制。
58.可见本发明这样结构下，硅波导传输层2、硫系条形波导4和石墨烯层3依 次从下到上布置。由于tm0的光场集中分布在波导上下表面，石墨烯层3也位 于光场最强处，石墨烯层3和光场作用，光场作用增强，使得调制性能增强。 本发明是通过硫系波导-硅平板传输层的结构设置，并使用tm0模式进行传播， 带来了光场极大值可以集中于硫系波导与硅平板波导界面处的特性，实现了光 与物质相互作用增强，减小器件体积，降低光功耗，增大调制深度的效果。
59.实施例3
60.如图3所示，本实施例在蓝宝石衬底1之上设置了一层硅波导传输层2和 一层石墨烯层3，硅波导传输层2形成在蓝宝石衬底1的中间上，石墨烯层3位 于硅波导传输层2之上，石墨烯层3宽度大于硅波导传输层2宽度，石墨烯层3 转移制备在硅波导传输层2上；
61.所述的硫系材料层包括硫系平整化层5和硫系盖层6，硫系平整化层5形成 蓝宝石衬底1上并包覆硅波导传输层2，硫系盖层6形成硫系平整化层5上并包 覆石墨烯层3，具体是使用热蒸发工艺生长制备。
62.这样情况下，省略了所述的硫系波导4，使用硅波导传输层2制备硅波导进 行光传输，石墨烯层3转移在硅波导上方。在转移制备石墨烯层3之前，进行 生长硫系平整化层5以及进行平整化工艺。
63.本实施例中，图6是波导结构的tm0模式的场分布仿真结果。子图从左到 右分别为总场强e，x分量e
x
，y分量ey，z分量ez。具体地，石墨烯层3处于 ez的极大值e
zmax
处。电场z分量ez偏振方向与石墨烯平面平行，能与石墨烯进 行强相互作用。利用石墨烯层3的可饱和吸收效应，可实现超高速全光调制。
64.可见本发明这样结构下，硅波导传输层2和石墨烯层3依次从下到上布置。 由于tm0的模式特性，其光场分布在波导上下表面，石墨烯层3也位于光场最 强处，石墨烯层3和光场作用，光场作用增强，使得调制性能增强。本发明是 通过单层硅波导的结构设置，并使用tm0模式，带来了光场极大值可以集中硅 波导上下表面处的特性，实现了光与物质相互作用增强，减小器件体积，降低 光功耗，增大调制深度的效果。
65.另外，本发明的具体实施例的器件可以为直波导形式或微环谐振器形式， 石墨烯可以转移在条形波导下方或者上方，如图7或者图8所示。
66.实施例4
67.构建直波导形式的电光调制器，如图8所示。
68.硅波导传输层2、硫系条形波导4是一根沿光信号传播方向直线布置的直波 导，石墨烯层3在所需的波导段上沿光信号传播方向直线布置，布置在硫系条 形波导4上面或者下面，形成本发明结构。本实施例利用调制光对石墨烯进行 吸收率调节，进而对信号光的透过率进行调制，最终实现对信号光的全光调制。 图7为全光调制的基本调制过程。如图7所示，需要被编码的调制光，与连续 的信号光，经过合束光路进入上述实施例中的石墨烯器件中，在石墨烯器件中， 调制光与石墨烯进行相互作用，对将石墨烯的低能级电子激发至高能级状态， 从而改变其载流子浓度，对其吸收率进行调制，最终，石墨烯对于信号光的损 耗被改变，实现调制光对信号光的全光调制。在通过石墨烯器件后，经过分束 光路，将信号光与调制光进行物理区分，得到被调制的信号光。
69.实施例5
70.构建微环形式的电光调制器，如图9所示。
71.硅波导传输层2、硫系条形波导4包括一根沿光信号传播方向直线布置的直 波导和位于直波导侧旁耦合的微环波导，石墨烯层3在微环波导所在的一侧上 沿光信号传播方向直线布置，布置在硫系条形波导4上面或者下面，形成本发 明结构。本实施例中，调制光耦合进入微环后，对石墨烯的吸收率进行调节， 进而调制其光吸收率，改变微环的耦合条件，进而改变其信号光谐振波长的透 过率，从而产生全光调制效果。
72.在实施例1，实施例2以及实施例3中，图8和图9为器件形式示意图。
73.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本发 明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化， 这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开 的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性 的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
74.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结 构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的 权利要求来限制。