一种混合波导集成石墨烯中红外电光调制器

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


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，支持te0模式光信号传输并调制； 通过石墨烯与te0模式的强相互作用，实现低功耗调制；利用石墨烯的高载流 子迁移率，实现超高速调制。
4.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是包括：
5.本发明包括蓝宝石衬底、硅波导传输层，第一石墨烯层，第一石墨烯层电 极，硫系介质层，第二石墨烯层，第二石墨烯层电极，硫系条形波导，硫系盖 层。蓝宝石衬底，硅波导层，硫系材料均支持3-5μm波长的光波进行低损传输。
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；
8.包括第一石墨烯层，位于硅波导传输层的一侧上；
9.包括第一石墨烯层控制电极，布置连接在第一石墨烯层之上；
10.包括硫系介质层，形成在硅波导传输层上，且包覆第一石墨烯层；
11.包括第二石墨烯层，位于硫系介质层的一侧上；
12.包括第二石墨烯层控制电极，布置连接在第二石墨烯层之上；
13.包括硫系条形波导，形成在第二石墨烯层上；
14.包括硫系盖层，形成在硫系介质层上，且包覆第二石墨烯层和硫系条形波 导。
15.所述的第一石墨烯层和第二石墨烯层分别位于两侧，硫系条形波导位于第 一石墨烯层和第二石墨烯层之间的中间，且第一石墨烯层和第二石墨烯层均向 硫系条形波导
正下方延伸布置，且使得硫系条形波导位于第二石墨烯层上面和 第二石墨烯层连接。
16.还包括两个通孔电极，两个通孔电极分别连接到第一石墨烯层控制电极和 第二石墨烯层控制电极，第一石墨烯层控制电极和第二石墨烯层控制电极分别 经各自的通孔电极连接到外部电压的两端。
17.由所述的硅波导传输层、硫系介质层和硫系条形波导构成混合脊型波导， te0模式的光信号沿由所述的硅波导传输层、硫系介质层和硫系条形波导构成 的混合脊型波导中传播，与所述的第一石墨烯层进行强相互作用。
18.所述的第一石墨烯层、硫系介质层、第二石墨烯层以及控制电极构成电容 结构，对第一石墨烯层进行电感应掺杂，通过改变载流子浓度从而改变光吸收 率，实现电光调制。
19.所述的蓝宝石衬底采用蓝宝石材料。
20.所述的第一石墨烯层和第二石墨烯层采用石墨烯材料。
21.所述的第一石墨烯层控制电极、第二石墨烯层控制电极采用金属材料。
22.所述的硅波导传输层采用硅材料。
23.所述的硫系介质层、硫系条形波导和硫系盖层采用包括但不限于ge
23
sb7s
70
和ge2sb2se5组分的硫系玻璃材料。
24.本发明的结构和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.本发明的电调制器使用了双层石墨烯，并带有控制电极，因此可以对石墨 烯进行电感应掺杂，进行高速电光调制。
26.本发明有益效果：
27.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。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模式传输。由于是混合材料体 系，石墨烯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。
28.本发明使用硅平板层与硫系条形波导构成混合脊型波导结构，石墨烯层可 集成在te0模式的场强极大值处。
29.本发明灵活集成石墨烯，极大增强光与物质相互作用，为实现中红外波段 超快速、超低功耗的电光调制器提出了新的解决方案。
附图说明
30.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。
31.图1是根据一示例性实施例示出的蓝宝石衬底/硅平板波导层/硫系条形波导 /硫系盖层结构示意图。
32.图2是图1所示的蓝宝石衬底/硅平板波导层/硫系条形波导/硫系盖层结构的 te0模场分布图。
33.图3是直波导形式的电光调制器。
34.图4是微环形式的电光调制器。
图5是本发明器件与常规硅波导器件(石墨烯转移在波导上表面)的调制 效果进行计算对比图。
35.图中：蓝宝石衬底(1)、硅波导传输层(2)、第一石墨烯层(3)、第一 石墨烯层控制电极(4)、硫系介质层(5)、第二石墨烯层(6)、第二石墨烯 层控制电极(7)、硫系波导(8)、硫系盖层(9)、通孔电极(10)。
具体实施方式
36.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。
37.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。
38.如图1所示，器件结构包括：
39.包括蓝宝石衬底1；
40.包括硅波导传输层2，形成在蓝宝石衬底1之上，使用键合工艺与在蓝宝石 衬底1集成制备；
41.包括第一石墨烯层3，位于硅波导传输层2的一侧上，转移制备在硅波导传 输层2上；
42.包括第一石墨烯层控制电极4，布置连接在第一石墨烯层3之上；
43.包括硫系介质层5，形成在硅波导传输层2上，具体是使用热蒸发生长在第 一石墨烯层3上，且包覆第一石墨烯层3；
44.包括第二石墨烯层6，位于硫系介质层5的一侧上，转移制备在硫系介质层 5上；
45.包括第二石墨烯层控制电极7，布置连接在第二石墨烯层6之上；
46.包括硫系条形波导8，形成在第二石墨烯层6上，具体是使用热蒸发工艺生 长在第二石墨烯层6上；
47.包括硫系盖层9，形成在硫系介质层5上，具体是使用热蒸发生长在第二石 墨烯层6上，且包覆第二石墨烯层6和硫系条形波导8，提供波导保护。
48.第一石墨烯层3和第二石墨烯层6分别位于两侧，且间隔布置，硫系条形 波导8位于第一石墨烯层3和第二石墨烯层6之间的中间，且第一石墨烯层3 和第二石墨烯层6均向硫系条形波导8正下方延伸布置延伸到硫系条形波导8 正下方，且使得硫系条形波导8位于第二石墨烯层6上面和第二石墨烯层6连 接。
49.第一石墨烯层控制电极4和第二石墨烯层控制电极7也分布在两侧，间隔 布置，穿设过硫系介质层5和硫系盖层9后分别连接到各自的石墨烯层顶面。
50.本发明通过上述的结构设置，将第一石墨烯层3、第二石墨烯层6和硫系条 形波导8在硅波导传输层2之上依次从下到上布置。第一石墨烯层3和位于光 场最强处，第一石墨烯层3和光场的相互作用得到极大增强，从而使其对光的 调制作用得到极大提高，实现了
减小器件长度，降低调制功耗的优势。
51.还包括两个通孔电极10，两个通孔电极10分别连接到第一石墨烯层控制电 极4和第二石墨烯层控制电极7，第一石墨烯层控制电极4和第二石墨烯层控制 电极7分别经各自的通孔电极10连接到外部电压的两端。
52.通孔电极10在硫系盖层9制备，穿设过硫系盖层9与控制电极4、7相连 上。
53.由硅波导传输层2、硫系介质层5和硫系条形波导8构成混合脊型波导，te0 模式的光信号沿由硅波导传输层2、硫系介质层5和硫系条形波导8构成的混合 脊型波导中传播，与第一石墨烯层3进行强相互作用。
54.第一石墨烯层3、硫系介质层5、第二石墨烯层6以及控制电极4，7构成 平板电容结构，在两层石墨烯上施加不同偏压，在第一石墨烯层3上感应产生 不同的电荷，对第一石墨烯层3进行电感应掺杂，即通过改变石墨烯层3的载 流子浓度从而改变光吸收率，实现电光调制。
55.如图2是本发明波导结构的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。
56.具体地，第一石墨烯层(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，实现了光功耗降低，器件长度减小的优势。
57.石墨烯层3，6及控制电极4、7构成平板电容结构，利用第二石墨烯层6 对第一石墨烯层3进行电感应掺杂，即利用电感应效应改变石墨烯层3的载流 子浓度，改变其光吸收率，实现超快速电光调制。
58.实施例1
59.构建直波导形式的电光调制器，如图3所示。
60.硫系波导8是一根沿光信号传播方向直线布置的直波导，第一石墨烯层3， 第一石墨烯层控制电极4、硫系介质层5、第二石墨烯层6、第二石墨烯层控制 电极7、硫系波导8均在所需的波导段上沿光信号传播方向直线布置形成本发明 结构。本实施例通过所述的电容结构，对石墨烯进行电感应掺杂，改变其对光 的吸收率，进行对信号光的透过率进行直接调制。
61.考虑工作波长为4.3μm的情况，规定石墨烯初始费米能级为0.12ev，调制 后费米能级为0.3ev，可计算得具有不同长度石墨烯的器件，其调制深度以及所 需功耗。将本专利设计的器件与常规硅波导器件(石墨烯转移在波导上表面) 的调制效果进行计算对比，其结果如图5所示。可以看出，在同一调制深度下， 本专利设计器件可以使用更短的石墨烯，在同一石墨烯长度下，本专利设计器 件具有更低的调制功耗。
62.实施例2
63.构建微环形式的电光调制器，如图4所示。
64.硫系波导8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，第一石墨烯层3，第一石墨烯层控制电极4、硫系介质层5、 第二石墨烯层6、第二石墨烯层控制电极7、硫系波导8均在微环波导所在的一 侧上沿光信号传播方向直线布置形成本发明结构。本实施例本实施例通过所述 的电容结构，对石墨烯进行电感应掺
杂，调制石墨烯的吸收率，改变微环的耦 合条件，进而改变其谐振波长的透过率，从而产生调制效果。
65.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。
66.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。