一种基于石墨烯的定向耦合器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯的定向耦合器，属于光电子【技术领域】，其包括第一载条波导、第二载条波导、绝缘层、半导体衬底层，绝缘层位于半导体衬底层的上表面，所述第一载条波导与第二载条波导相互平行且都位于共同的绝缘层上，第一载条波导与第二载条波导之间从左到右依次填充有第一介质层、石墨烯介质层和第二介质层；所述石墨烯介质层至少由三层相互平行的石墨烯层构成。本发明具有高度对称性，两波导之间具有高度的相位匹配，所以在合理的波导长度下，输出端可以达到很高的消光比；因此利用此性质制作的光强度调制器及光开关等器件具有高速，宽带，低功耗，体积小的特点。
【专利说明】—种基于石墨烯的定向耦合器
【技术领域】
[0001]本发明属于光电子【技术领域】，具体涉及一种高速、宽带、低功耗的新型基于石墨烯的定向I禹合器。
【背景技术】
[0002]定向耦合器是集成光学中的一种常见结构。其原理是当两高折射率波导相距很近的时候，因为倏逝波的作用，会发生两波导之间的功率交换，从量子力学角度来说，可以将波导间的低折射率介质视为势垒，两波导的功率交换即为一种光子隧穿效应。定向耦合器具有方向性的功率分配器，它能从主传输系统的正向波中按一定比例分出部分功率，并基本上不从反向波中分出功率。因此利用定向耦合器可以对主传输系统中的入射波和反射波分别进行取样。因而定向耦合器结构被广泛应用在波导间耦合、滤波、偏振选择、调制、光开关以及激光器等方面。
[0003]定向耦合器的工作原理图，如图1所示，定向耦合器可等效为四端口网络，包括两个主线端口:射频信号输入端与射频信号输出端，两个副线端口:射频信号耦合端与射频信号隔离端。两线间通过电容耦合，当功率由端口射频信号输入端输入时，一部分功率从直通射频信号输出端输出；还有一部分功率耦合到副线中，利用各分波的场矢量叠加，使射频信号耦合端形成耦合端口，而射频信号隔离端场矢量反向抵消形成隔离端口。通过合理选择耦合结构及耦合尺寸可使定向耦合器的耦合度、隔离度、输入驻波比、频带宽度等技术指标达到所需要求。耦合度是指为输入端的输入功率与耦合端的输出功率之比，通过合理选择耦合结构及耦合尺寸可使定向耦合器的耦合度、隔离度、输入驻波比、频带宽度等技术指标达到所需要求。耦合度是指为输入端的输入功率与耦合端的输出功率之比；而隔离度是指输入端的输入功率与隔离端的输出功率之比；方向性是指耦合端的输出功率与隔离端的输出功率之比；输入驻波比是指其余三端口均接匹配负载时输入端口的驻波比，频带宽度是指耦合度、隔离度、输入驻波比均满足要求时的定向耦合器的工作频带宽度。
[0004]石墨烯是近年来得到广泛关注的一种新型二维六方碳纳米材料，它的一些性质在光电子器件上有着很大的应用前景。其特有的零带隙结构，可以影响很宽的波段的光，有着优良的宽带特性，并且石墨烯在室温下具有大约200，OOOcmVVs的电子迁移率，是硅的100倍以上，目前已知的电子迁移率最高的材料。同时，在偏置电压的作用下，石墨烯的光导率会有显著的改变，因此可以有效利用在调制器，激光器等光电子器件上。
[0005]关于石墨烯在定向耦合器中的应用也已有研究。在定向耦合器两平行波导之间插入的石墨烯层，可以有效地干扰其间的功率耦合过程，使耦合系数发生变化，从而影响光功率的率禹合长度。(见文献 Andrea Locatelli, Anton1-Daniele Capobianco, GianfrancoNalesso， Stefano Boscolo， MicheleMidr1c, Costantino De Angelis， Graphene-basedelectro-optical control of the beat length of dielectric couplers， OpticsCommunicat1ns 318 (2014) 175 - 179)。利用这种性质，在石墨烯层上加载电极调谐其光导率，即可对定向耦合器的耦合长度进行调制，从而可以制作包括光调制器，光开关在内的一系列光器件。采用此结构的光器件，具有高速，宽带，低功耗，体积小的特点，并可以与CMOS工艺相兼容，有着广泛的应用潜力。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术，本发明的目的在于如何提供一种具有高速、宽带宽、低功耗的并可以与CMOS工艺相兼容的新型基于石墨烯的定向耦合器。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
一种基于石墨烯的定向稱合器，包括第一载条波导、第二载条波导、绝缘层、半导体衬底层，绝缘层位于半导体衬底层的上表面，其特征在于，所述第一载条波导与第二载条波导相互平行且都位于共同的绝缘层上，第一载条波导与第二载条波导之间从左到右依次填充有第一介质层、石墨烯介质层和第二介质层；所述石墨烯介质层至少由三层相互平行的石墨烯层构成，所述石墨烯层全部或者部分重叠。
[0008]在本发明中，所述石墨烯介质层主要由第一石墨烯层、第一隔离层、第二石墨烯层、第二隔离层和第三石墨烯层构成，第一石墨烯层与第二石墨烯层被第一隔离层隔离分开，第二石墨烯层和第三石墨烯层被第二隔离层隔离分开。
[0009]在本发明中，石墨烯介质层垂直嵌入第一介质层和第二介质层间。
[0010]在本发明中，石墨烯的介质层位于两段平行波导间隔的中心位置，即到第一载条波导的右侧平面及第二载条波导的左侧平面的距离相等。
[0011 ] 在本发明中，所述第一石墨烯层和第三石墨烯层能从石墨烯介质层上表面延伸出来，连接电极。
[0012]在本发明中，半导体衬底层、第一载条波导、第二载条波导材料为硅、锗、锗硅合金、II1-V族半导体或I1-1V族半导体。
[0013]在本发明中，所述绝缘层、第一介质层、第二介质层以及在石墨烯介质层中的第一隔离层、第二隔离层均为半导体氧化物构成，其折射率显著小于第一载条波导、第二载条波导以及半导体衬底层的折射率。
[0014]在本发明中，所述半导体氧化物为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
[0015]本发明的工作原理为:
器件工作时，偏置电压施加在垂直嵌入两波导之间的石墨烯层上，通过改变石墨烯上的偏置电压，动态的改变其光导率，从而使石墨烯层的折射率和吸收率随之发生变化。定向耦合器的功率耦合是基于光子隧穿效应这一物理现象的，在两平行波导之间加入了折射率可随偏置电压变化的石墨烯层，就使光子隧穿效应中的势垒高度变的可调谐，耦合长度也随之发生改变。由此，定向耦合器其中一个输出端的输出光功率可以在偏置电压的调制下，产生从低到高的变化，而另一个输出端的输出光功率，则有从高到低的相反的变化。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
本发明具有高度对称性，两波导之间具有高度的相位匹配，所以在合理的波导长度下，输出端可以达到很高的消光比；因此利用此性质制作的光强度调制器及光开关等器件具有高速，宽带，低功耗，体积小的特点，并可以与CMOS工艺相兼容，因而有着广泛的应用潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是现有定向耦合器的工作原理图；
图2是本发明提供的基于石墨烯的定向耦合器的有源区示意图；
图3是本发明提供的基于石墨烯的定向耦合器的波导横截面示意图；
图4是本发明实施例中的对称模及不对称模模场分布示意图；
图5是本发明实施例中的对称模及不对称模传播常数、波导耦合长度随偏置电压变化的不意图；
图6是本发明实施例中波导结构俯视的功率分布图；
附图标记为:11为第一载条波导、12为第一介质层、13为石墨烯介质层、131为第一石墨烯层、132为第一隔离层、133为第二石墨烯层、134为第二隔离层、135为第三石墨烯层、14为第二介质层、15为第二载条波导、16为绝缘层、17为半导体衬底层。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
[0019]—种基于石墨烯的定向稱合器，包括第一载条波导11、第二载条波导15、绝缘层16、半导体衬底层17，绝缘层16位于半导体衬底层17的上表面，所述第一载条波导11与第二载条波导15相互平行且都位于共同的绝缘层16上，第一载条波导11与第二载条波导15之间从左到右依次填充有第一介质层12、石墨烯介质层13和第二介质层14 ;所述石墨烯介质层13至少由三层相互平行的石墨烯层构成，所述石墨烯层全部或者部分重叠；所述石墨烯介质层13主要由第一石墨烯层131、第一隔离层、第二石墨烯层133、第二隔离层134和第三石墨烯层135构成，第一石墨烯层131与第二石墨烯层133被第一隔离层132隔离分开，第二石墨烯层133和第三石墨烯层135被第二隔离层134隔离分开。
实施例
[0020]如图2、图3所不,本实施例米用波长为1.55 μ m的光波,半导体衬底层17,第一载条波导和第二载条波导由硅(Si)材料构成(折射率3.47);第一、第二载条波导宽度均为
0.4 μ m,厚度均为0.24 μ m ;绝缘层16,第一介质层和第二介质层,第一隔离层和第二隔离层由二氧化硅(Si02)构成(折射率1.44);第一载条波导右侧平面与第二载条波导左侧平面间距，即第一介质层、第二介质层、石墨烯介质层的总宽度为0.1 μ m，其中石墨烯层厚度
0.7nm,相邻两石墨烯间距7nm。第一载条波导、第二载条波导之间的第一介质层、为石墨烯介质层、第二介质层与载条波导等高；石墨烯介质层垂直嵌入在两平行波导侧平面之间的中间位置，且其中包括的石墨烯层亦沿两平行波导侧平面中心位置对称，石墨烯层即放置在此中心位置。第一石墨烯层、第三石墨烯层从上方延伸出去连接电极。
[0021]图4是本发明实施例中，采用COMSOL Multiphysics软件模拟仿真得到的定向稱合波导中TE模的对称模(even supermode)及不对称模(odd supermode)在偏置电压为
0.4eV下的模场分布图。
[0022]图5是本发明实施例中，定向I禹合波导中TE模的对称模(even supermode)及不对称模(odd supermode)的传播常数，以及定向耦合波导的耦合长度随偏置电压变化的示意图。对称模(even supermode)、不对称模(odd supermode)及稱合长度之间应服从关系:L = 31 / ( β even-β odd)。可以看到，在偏置电压0.5eV到0.53eV范围内，耦合长度有着最大的变化，因此将工作电压控制在0.5eV到0.53eV之间。
[0023]图6是本发明实施例1中，利用有效折射率的方法得到的定向耦合波导俯视的功率分布不意图，表明了本实施例中的功率稱合情况。图中所不的稱合长度为6 μ m。结合图
4、图5，以上端口为输入端口、输出端口的情况下，以0.5eV为“关”状态，0.53eV为“开”状态，波导长度为70.68 μ m下，消光比达到24dB。
[0024]以上内容仅为结合具体方案对本发明进行的一些详细说明，不能认定发明的具体实施只限于这些说明。对本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于石墨烯的定向稱合器，包括第一载条波导(11)、第二载条波导(15)、绝缘层(16)、半导体衬底层(17)，绝缘层(16)位于半导体衬底层(17)的上表面，其特征在于，所述第一载条波导(11)与第二载条波导(15)相互平行且都位于共同的绝缘层(16)上，第一载条波导(11)与第二载条波导(15)之间从左到右依次填充有第一介质层(12)、石墨烯介质层(13)和第二介质层(14);所述石墨烯介质层(13)至少由三层相互平行的石墨烯层构成，所述石墨烯层全部或者部分重叠。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述石墨烯介质层(13)主要由第一石墨烯层(131)、第一隔离层、第二石墨烯层(133)、第二隔离层(134)和第三石墨烯层(135)构成，第一石墨烯层(131)与第二石墨烯层(133)被第一隔离层(132)隔离分开，第二石墨烯层和第三石墨烯层(135)被第二隔离层(134)隔离分开。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，石墨烯介质层(13)垂直嵌入第一介质层(12)和第二介质层(14)间。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，石墨烯的介质层(13)位于两段平行波导间隔的中心位置，即到第一载条波导(11)的右侧平面及第二载条波导(15)的左侧平面的距离相等。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述第一石墨烯层(131)和第三石墨烯层(135)从石墨烯介质层上表面延伸出来连接电极。
6.据权利要求1所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，半导体衬底层(17)、第一载条波导(11)、第二载条波导(15)材料为硅、锗、锗硅合金、II1-V族半导体或I1-1V族半导体。
7.据权利要求1所述的一种基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述绝缘层(16)、第一介质层(12)、第二介质层(14)以及在石墨烯介质层(13)中的第一隔离层(132)、第二隔离层(134)均为半导体氧化物构成，其折射率显著小于第一载条波导(11 )、第二载条波导(15)以及半导体衬底层(17)的折射率。
8.据权利要求7所述的基于石墨烯的定向耦合器，其特征在于，所述半导体氧化物为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
【文档编号】H01P5/18GK104078739SQ201410363980
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】刘永, 王子帅, 叶胜威, 陈冬松, 闫世森, 艾元, 陆荣国 申请人:电子科技大学