一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光調(diào)制器是光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，其功能是改變通過光調(diào)制器的光載波的強(qiáng) 度、相位、偏振等特性，將電信號(hào)加載到光載波上。傳統(tǒng)的光調(diào)制器有基于等離子色散效應(yīng) 的Si基光調(diào)制器、基于Pockels效應(yīng)的鈮酸鋰和聚合物光調(diào)制器、基于F-K效應(yīng)或量子限 制Stark效應(yīng)的InP基光調(diào)制器。但傳統(tǒng)的光調(diào)制器受自身材料特性的限制，Si基光調(diào)制 器和鈮酸鋰光調(diào)制器的調(diào)制速率已達(dá)到瓶頸，突破40GHz極為困難，且器件體積較大、調(diào)制 電壓較高；聚合物光調(diào)制器的熱和化學(xué)穩(wěn)定性較差；InP基光調(diào)制器工藝復(fù)雜、成本高，且 有較大的啁嗽。
[0003] 石墨烯是一種蜂窩形的二維六方碳結(jié)構(gòu)材料，是一種新型的材料，在未來可以用 它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體材料。它在室溫下具有200, OOOcmVVs的載流子迀移率，大約是硅 材料的載流子迀移率1〇〇倍以上，意味著基于石墨烯的電子器件可以在超高速率下工作， 理論工作速率可以達(dá)到500GHz。石墨烯在外加電壓下，光導(dǎo)率也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而改變 其折射率和吸收率，同時(shí)，石墨烯具有的零帶隙結(jié)構(gòu)，使它可以在非常寬的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā) 揮作用。另外，在工藝方面，石墨烯與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，易于集成。這些特殊的光電特 性使得石墨烯在高速光電子集成器件方面有著廣泛的潛在應(yīng)用。
[0004] 基于石墨烯材料的光學(xué)調(diào)制器已經(jīng)得到廣泛的研究，都是基于在傳統(tǒng)的SOI光 波導(dǎo)中水平鋪設(shè)石墨烯層，將偏置電壓施加在石墨烯層上，以改變石墨烯本身的復(fù)折射率 來改變波導(dǎo)對(duì)入射光的折射率或吸收率，從而達(dá)到對(duì)入射光的相位或振幅的調(diào)制（見文 南犬 Ming Liu, Xiaobo Yin, Ulin-Avila, E,BaisongGeng, Zentgraf T, Long Ju, Feng Wang, Xiang Zhang. A graphene-based broadband optical modulator. Nature, 2011， Vol 474， p64_67 和 Gosciniak Jacek， Tan Dawn TH. Theoretical investigation of graphene-based photonic modulators. Scientific Reports, 2013， Vol 3)〇
[0005] 這種將石墨烯層水平鋪設(shè)于光波導(dǎo)的表面或中間，例如申請(qǐng)?zhí)枮?01410370459. 0 的發(fā)明專利公開了一種基于石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制器：包括基板、石墨烯水平嵌入的 第一石墨烯脊形波導(dǎo)和石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊形波導(dǎo)，第一石墨烯脊形波導(dǎo)和第 二石墨烯脊形波導(dǎo)均位于基板上，第一石墨烯脊形波導(dǎo)中嵌入的石墨烯和第二石墨烯脊形 波導(dǎo)中嵌入的石墨烯相互垂直；第一石墨烯脊形波導(dǎo)從上到下依次包括第一脊部、第一水 平嵌入石墨烯層、第二水平嵌入石墨烯層和第二脊部，第一脊部與第一水平嵌入石墨烯層 被第一隔離介質(zhì)層隔離，第一水平嵌入石墨烯層與第二水平嵌入石墨烯層被第二隔離介質(zhì) 層隔離，第二水平嵌入石墨烯層與第二脊部被第三隔離介質(zhì)層隔離；第二石墨烯脊形波導(dǎo) 從左到右依次包括第三脊部、第一垂直嵌入石墨烯層、第二垂直嵌入石墨烯層和第四脊部， 第三脊部與第一垂直嵌入石墨烯層被第四隔離介質(zhì)層隔離，第一垂直嵌入石墨烯層與第二 垂直嵌入石墨烯層被第五隔離介質(zhì)層隔離，第二垂直嵌入石墨烯層與第四脊部被第六隔離 介質(zhì)層隔離；基板包括半導(dǎo)體襯底層和位于半導(dǎo)體襯底層上表面的絕緣層，第一石墨烯脊 形波導(dǎo)和第二石墨烯脊形波導(dǎo)位于絕緣層上。
[0006] 又如申請(qǐng)?zhí)枮?01310431112. 8的發(fā)明專利公開了一種新型的石墨烯電光調(diào)制器 結(jié)構(gòu)，，包括石墨烯脊型光波導(dǎo)、硅層和二氧化硅基片，二氧化硅基片上沉積硅層，再在硅層 上平行設(shè)置兩條石墨烯脊型光波導(dǎo)；石墨烯脊型光波導(dǎo)由兩層厚度相等的硅波導(dǎo)層和二氧 化硅基片構(gòu)成，硅波導(dǎo)層制作在二氧化硅基片上，硅波導(dǎo)層間區(qū)域設(shè)有兩層石墨烯層和三 層氧化鋁隔離層，從上而下的順序?yàn)檠趸X隔離層、石墨烯層、氧化鋁隔離層、石墨烯層、氧 化鋁隔離層。
[0007] 申請(qǐng)?zhí)枮?01410163464. 4的發(fā)明專利公開了一種具有四層石墨烯結(jié)構(gòu)的光調(diào)制 器，包括一個(gè)SOI光波導(dǎo)，SOI光波導(dǎo)包括絕緣層位于絕緣層下表面的半導(dǎo)體襯底層和位 于絕緣層上表面的半導(dǎo)體光波導(dǎo)層；半導(dǎo)體光波導(dǎo)層上方具有相互重疊的第一脊部和第二 脊部，第一脊部和第二脊部的材料與半導(dǎo)體光波導(dǎo)層的材料相同；在半導(dǎo)體光波導(dǎo)層與第 一脊部之間具有第一石墨烯層和第二石墨烯層，第一石墨烯層與半導(dǎo)體光波導(dǎo)層之間具有 第一隔離介質(zhì)層，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間具有第二隔離介質(zhì)層，第二石墨烯層 與第一脊部之間具有第三隔離介質(zhì)層；在第一脊部與第二脊部之間具有第三石墨烯層和第 四石墨烯層，第三石墨烯層與第一脊部之間具有第四隔離介質(zhì)層，第三石墨烯層和第四石 墨烯層之間具有第五隔離介質(zhì)層，第四石墨烯層與第二脊部之間具有第六隔離介質(zhì)層；第 一脊部和第二脊部的前后兩個(gè)共同的端面分別作為光調(diào)制器的光輸入、輸出端；第一石墨 烯層和第二石墨烯層中，一層石墨烯從第一脊部和第二脊部共同的一個(gè)側(cè)面延伸出，另一 層石墨烯從第一脊部和第二脊部共同的另一個(gè)側(cè)面延伸出；第三石墨烯層和第四石墨烯層 中，一層石墨烯從第一脊部和第二脊部共同的一個(gè)側(cè)面延伸出，另一層石墨烯從第一脊部 和第二脊部共同的另一個(gè)側(cè)面延伸出；從第一脊部和第二脊部共同的一個(gè)側(cè)面延伸出的兩 層石墨烯采用第一金屬電極互連，從第一脊部和第二脊部共同的另一個(gè)側(cè)面延伸出的兩層 石墨烯采用第二金屬電極互連。
[0008] 正如上面講述的現(xiàn)有石墨烯層水平鋪設(shè)于光波導(dǎo)的表面或中間，雖然制作工藝相 對(duì)較簡(jiǎn)單，但基于這種結(jié)構(gòu)的石墨烯調(diào)制器都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是對(duì)入射光的偏振 方向敏感，只能對(duì)特定偏振方向的光波產(chǎn)生有效地調(diào)制，即都是偏振相關(guān)的，限制了這種光 調(diào)制器的使用范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決該技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有石墨烯光調(diào)制器存在的只能對(duì)特定偏振方向的光波產(chǎn)生有 效地的調(diào)制而導(dǎo)致的使用范圍窄的問題，而提供一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制 器，對(duì)TE，TM模都有著較大的吸收，且通過合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸，可以使TE、TM模的光 吸收系數(shù)十分接近，起到同時(shí)對(duì)TE、TM模光進(jìn)行有效調(diào)制，解決了目前石墨烯光調(diào)制器對(duì) 入射光波偏振方向敏感的技術(shù)難題，具有使用范圍廣的特點(diǎn)。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是： 一種基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制器，包括光波導(dǎo)基底層，所述光波導(dǎo)基底層 的上方設(shè)置有電介質(zhì)層，其特征在于，所述電介質(zhì)層的上方設(shè)置有D形波導(dǎo)層，所述D形波 導(dǎo)層的外圍包覆有第二弧形石墨烯層，所述第二弧形石墨烯層的外圍包覆有第一弧形石墨 烯層，所述第一弧形石墨烯層的外圍包覆有矩形波導(dǎo)層，所述矩形波導(dǎo)層與第一弧形石墨 烯層之間、第一弧形石墨烯層與第二弧形石墨烯層之間以及第二弧形石墨烯層與D形波導(dǎo) 層之間均設(shè)置有隔離介質(zhì)層；所述第一弧形石墨烯層從D形波導(dǎo)層的一側(cè)延伸出來并連接 有第一電極，所述第二弧形石墨烯層從D形波導(dǎo)層的另一側(cè)延伸出來并連接有第二電極。
[0011] 所述D形波導(dǎo)層的底面為平面并設(shè)置在電介質(zhì)層上，所述D形波導(dǎo)層的上表面為 弧形面，所述第二弧形石墨烯層和第一弧形石墨烯層依次包覆在D形波導(dǎo)層的弧形面上。
[0012] 所述第一弧形石墨烯層與第二弧形石墨烯層之間的間距為5nm - 100nm。
[0013] 所述D形波導(dǎo)層和矩形波導(dǎo)層的材質(zhì)相同，所述D形波導(dǎo)層的材質(zhì)為硅、鍺、鍺硅 合金、III-V族半導(dǎo)體或II-IV族半導(dǎo)體。
[0014] 所述隔離介質(zhì)層由絕緣材料制成，所述隔離介質(zhì)層的材質(zhì)為硅氧化物、硅氮氧化 物或硼氮化物。
[0015] 所述電介質(zhì)層為半導(dǎo)體氧化物，所述電介質(zhì)層的折射率小于光波導(dǎo)基層、D形波導(dǎo) 層和矩形波導(dǎo)層的折射率。
[0016] 所述第一電極和第二電極的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷或鈀。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明的基于弧形石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制器，在光波導(dǎo)中加入一段弧形的石墨烯 層，對(duì)TE，TM模都有著較大的吸收，且通過合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸，可以使TE、TM模的光 吸收系數(shù)十分接近，起到同時(shí)對(duì)TE、TM模光進(jìn)行有效調(diào)制，解決了目前石墨烯光調(diào)制器對(duì) 入射光波偏振方向敏感的技術(shù)難題。
[0018] 在光波導(dǎo)中加入一段弧形的石墨烯層且內(nèi)嵌于光波導(dǎo)，相對(duì)于水平鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，石 墨烯與光場(chǎng)有著更大的有效相互作用面積和更充分的相互作用，因此較小