專利名稱：一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微環(huán)光開關(guān)，特別涉及一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)。
背景技術(shù)：
光開關(guān)作為信道切換裝置，在下一代光通信網(wǎng)絡(luò)中扮演重要的作用。人們利用各種不同的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成功研制了多種光開關(guān)。光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理非常多，對(duì)于應(yīng)用于寬帶光空分交換功能的光開關(guān)，通過利用材料的折射率變化，采用Y分支器結(jié)構(gòu)、Mach-Zehder結(jié)構(gòu)或是定向耦合器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；近年來，隨著硅基光子技術(shù)的發(fā)展，微環(huán)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，通過利用諧振波長(zhǎng)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇型光空分開關(guān)功能。但是隨著信息數(shù)據(jù)量爆炸式的與日俱增，傳統(tǒng)的光學(xué)開關(guān)切換速度已經(jīng)漸漸無法滿足人們的信息交換需求，人們迫切需要 利用新材料、新技術(shù)制造具有更快的信道切換速度的光開關(guān)。同時(shí)，傳統(tǒng)的光學(xué)非自持式開關(guān)在切換信道時(shí)需要消耗不少的能量，這一缺陷在國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)下也亟待彌補(bǔ)。近年來，石墨烯這種具有良好電學(xué)、光學(xué)特性的材料得到業(yè)界越來越多的的關(guān)注，人們紛紛嘗試將其應(yīng)用到光學(xué)元器件的制作上來。對(duì)于形成電容結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，在不同的外加電壓下會(huì)具有不同的載流子濃度，這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)于在硅波導(dǎo)當(dāng)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)有不同的吸收效率。對(duì)于這種吸收效應(yīng)應(yīng)用于光開關(guān)設(shè)計(jì)，無法采用傳統(tǒng)折射率變化的光學(xué)結(jié)構(gòu)獲得光空分交換功能。利用石墨烯本身具有極高電子遷移率這一特性，能夠制造出速度極快、功耗較低的新型微環(huán)光開關(guān)，在下一代大容量光通信系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)超高信道切換速度和低開關(guān)電壓。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括光微環(huán)、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層；兩條耦合波導(dǎo)放置在光微環(huán)的兩側(cè)，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層覆蓋在光微環(huán)上，光微環(huán)、兩條耦合波導(dǎo)、石墨烯電容結(jié)構(gòu)層均在同一水平面上；兩條稱合波導(dǎo)中的任意一條稱合波導(dǎo)的一端為輸入端，另一端為直接輸出端，另一條稱合波導(dǎo)與輸入端對(duì)應(yīng)的一端為下載端，輸入端與輸入波導(dǎo)相連接，直接輸出端和下載端分別與各自輸出波導(dǎo)相連接。所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層包括第一層石墨烯、絕緣物質(zhì)和第二層石墨烯；在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層與光微環(huán)的覆蓋交界處，第一層石墨烯覆蓋在光微環(huán)上，絕緣物質(zhì)覆蓋在第一層石墨烯上，第二層石墨烯覆蓋在絕緣物質(zhì)上，第一層石墨烯和第二層石墨烯延伸端分別與電極的兩極相連。所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層包括第一層石墨烯、絕緣物質(zhì)和透明電極；在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層與光微環(huán)的覆蓋交界處，第一層石墨烯覆蓋在光微環(huán)上，絕緣物質(zhì)覆蓋在第一層石墨烯上，透明電極覆蓋在絕緣物質(zhì)上，第一層石墨烯延伸端和透明電極分別與電極的兩極相連。所述的光微環(huán)、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層均放置在摻雜硅襯底上，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層包括絕緣物質(zhì)和第一層石墨烯；在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層與光微環(huán)的覆蓋交界處，絕緣物質(zhì)覆蓋在光微環(huán)上，第一層石墨烯覆蓋在絕緣物質(zhì)上，第一層石墨烯延伸端和摻雜硅襯底分別與電極的兩極相連。所述的光微環(huán)為任意閉環(huán)形狀。所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層覆蓋在整體或者局部的光微環(huán)上。本實(shí)用新型具有的有益的效果是本實(shí)用新型提出利用微環(huán)在不同損耗特性下的諧振與失振狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)光空分開關(guān)功能。不加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，石墨烯會(huì)對(duì)光子產(chǎn)生十分明顯的吸收效果，微環(huán)因此無法對(duì)光信 號(hào)產(chǎn)生諧振，進(jìn)入失振狀態(tài)，光信號(hào)將從直接輸出端進(jìn)入其中一個(gè)輸出波導(dǎo)；適當(dāng)增加驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)石墨烯對(duì)光子的吸收不明顯時(shí)，硅基微環(huán)處于諧振狀，能與耦合波導(dǎo)發(fā)生良好的耦合，光信號(hào)經(jīng)過微環(huán)從下載端進(jìn)入另一個(gè)輸出波導(dǎo)。依據(jù)這種原理，就可以通過改變外加電壓來改變光信號(hào)的輸出方向，實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的效果。利用石墨烯所具有的高電子遷移率特性，可以實(shí)現(xiàn)THz級(jí)別的光信道切換速度，遠(yuǎn)超于當(dāng)前GHz級(jí)別的普通電光、熱光開關(guān)，非常適合應(yīng)用于下一代大容量光通信網(wǎng)絡(luò)；石墨烯大的吸收系數(shù)變化，可以實(shí)現(xiàn)低開關(guān)電壓；采用最基本的硅基微環(huán)結(jié)構(gòu)，可以用平面集成光波導(dǎo)工藝制作，具有良好的CMOS工藝兼容性，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。并且其所需施加的工作電壓很低，節(jié)能環(huán)保。

圖I是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。圖2是光微環(huán)、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層均放置在摻雜硅襯底上的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本實(shí)用新型在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層與光微環(huán)的覆蓋交界處的第一種截面示意圖。圖4是本實(shí)用新型在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層與光微環(huán)的覆蓋交界處的第二種截面示意圖。圖5是本實(shí)用新型在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層與光微環(huán)的覆蓋交界處的第三種截面示意圖。圖中1、光微環(huán),2、輸入端,3、直接輸出端,4、下載端,5、石墨烯電容結(jié)構(gòu)層,6、摻雜硅襯底，7、第一層石墨烯，8、絕緣物質(zhì)，9、第二層石墨烯，10、透明電極。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，本實(shí)用新型包括光微環(huán)I、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5 ;兩條耦合波導(dǎo)放置在光微環(huán)I的兩側(cè)，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5覆蓋在光微環(huán)I上，光微環(huán)I、兩條耦合波導(dǎo)、石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5均在同一水平面上；兩條稱合波導(dǎo)中的任意一條稱合波導(dǎo)的一端為輸入端2,另一端為直接輸出端3,另一條稱合波導(dǎo)與輸入端2對(duì)應(yīng)的一端為下載端4，輸入端2與輸入波導(dǎo)相連接，直接輸出端3和下載端4分別與各自輸出波導(dǎo)相連接。如圖3所示，所述的光微環(huán)I、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5均放置在襯底上，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5包括第一層石墨烯7、絕緣物質(zhì)8和第二層石墨烯9 ;在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5與光微環(huán)I的覆蓋交界處，第一層石墨烯7覆蓋在光微環(huán)I上，絕緣物質(zhì)8覆蓋在第一層石墨烯7上，第二層石墨烯9覆蓋在絕緣物質(zhì)8上，第一層石墨烯7和第二層石墨烯9延伸端分別與電極的兩極相連。如圖4所示，所述的光微環(huán)I、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5均放置在襯底上,石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5包括第一層石墨烯7、絕緣物質(zhì)8和透明電極10 ;在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5與光微環(huán)I的覆蓋交界處，第一層石墨烯7覆蓋在光微環(huán)I上，絕緣物質(zhì)8覆蓋在第一層石墨烯7上，透明電極10覆蓋在光微環(huán)I上面的絕緣物質(zhì)8上，第一層石墨烯7延伸端和透明電極10分別與電極的兩極相連。 如圖2和圖5所示，所述的光微環(huán)I、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5均放置在摻雜硅襯底6上，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5包括絕緣物質(zhì)8和第一層石墨烯7 ;在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5與光微環(huán)I的覆蓋交界處，絕緣物質(zhì)8覆蓋在光微環(huán)I上，第一層石墨烯7覆蓋在絕緣物質(zhì)8上，第一層石墨烯7延伸端和摻雜硅襯底6分別與電極的兩極相連。所述的光微環(huán)I為任意閉環(huán)形狀。所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層5覆蓋在整體或者局部的光微環(huán)I上。所述的兩條耦合波導(dǎo)之間不相互垂直，首先需要確定其中一條耦合波導(dǎo)的一端為輸入端，另一端為直接輸出端。若兩條稱合波導(dǎo)平行時(shí)，另一條稱合波導(dǎo)與輸入端在光微環(huán)同一側(cè)的一端為下載端；若兩條稱合波導(dǎo)相交，并相交于靠近輸入端的一側(cè)，那么另一條率禹合波導(dǎo)中更靠近輸入端的一端為下載端；若兩條稱合波導(dǎo)相交，并相交于遠(yuǎn)離輸入端的一偵牝那么另一條耦合波導(dǎo)中更遠(yuǎn)離輸入端的一端為下載端。所述的襯底的材料能采用二氧化硅或氮化硅。本實(shí)用新型可以通過但不限于以下方式實(shí)施實(shí)施例I :硅基波導(dǎo)的制作采用頂層硅厚為220 nm、氧化硅埋層I y m的絕緣層上硅(SOI)材料，在完成晶圓表面清洗后，進(jìn)行深紫外光刻獲得硅刻蝕掩膜，通過硅干法刻蝕，制作出寬400 nm、深220 nm的娃條波導(dǎo),獲得由半徑10 y m的光微環(huán)I和兩條稱合波導(dǎo)構(gòu)成的基本光路結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)與光微環(huán)I間的耦合間隙為200 nm。其中兩條耦合波導(dǎo)應(yīng)盡量保證互相平行。去除掩膜，并進(jìn)行表面清洗。第一層石墨烯7的轉(zhuǎn)移采用機(jī)械轉(zhuǎn)移方法，將第一層石墨烯7轉(zhuǎn)移至所制作光微環(huán)I的SOI晶圓上表面。采用光刻、干法刻蝕，對(duì)所轉(zhuǎn)移的第一層石墨烯7層進(jìn)行制作，僅保留光微環(huán)I結(jié)構(gòu)的上表面的局部及相關(guān)電極引線位置。介質(zhì)層的制作采用原子層沉積(ALD)技術(shù)，制作一層IOnm的絕緣物質(zhì)8(例如三
氧化二鋁)。第二層石墨烯9的轉(zhuǎn)移采用機(jī)械轉(zhuǎn)移方法，將第二層石墨烯9轉(zhuǎn)移至制作有絕緣物質(zhì)8 (例如三氧化二鋁)的光微環(huán)I的SOI晶圓上表面。采用光刻、干法刻蝕，對(duì)所轉(zhuǎn)移的第二層石墨烯9進(jìn)行制作，僅保留光微環(huán)I結(jié)構(gòu)的上表面的局部及相關(guān)電極引線位置。上保護(hù)層以及電極的制作采用化學(xué)汽相沉積技術(shù)，制作一層5000 nm的二氧化硅。采用光刻、干法刻蝕，制作出電極通孔，將第一層石墨烯7和第二層石墨烯9的電極引線部分曝露。米用派射技術(shù)，沉積1000 nm的金金屬層。米用光刻、干法刻蝕,制作出金電極。由此，完成光開關(guān)芯片制作。所制作的光開關(guān)速度可以達(dá)到ITHz，開關(guān)電壓IV。實(shí)施例2 硅基波導(dǎo)的制作采用頂層硅厚為220 nm、氧化硅埋層I ii m的絕緣層上硅(SOI)材料，在完成晶圓表面清洗后，進(jìn)行深紫外光刻獲得硅刻蝕掩膜，通過硅干法刻蝕，制作出寬450 nm、深180 nm的娃條波導(dǎo),獲得由半徑5 y m的光微環(huán)I和兩條稱合波導(dǎo)構(gòu)成的基本光路結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)與光微環(huán)I間的耦合間隙為180 nm。其中兩條耦合波導(dǎo)應(yīng)盡量保證互相平行。去除掩膜，并進(jìn)行表面清洗。介質(zhì)層的制作采用原子層沉積(ALD)技術(shù)，制作一層IOnm的絕緣物質(zhì)8(例如三 氧化二鋁)。第一層石墨烯7的轉(zhuǎn)移采用機(jī)械轉(zhuǎn)移方法，將第一層石墨烯7轉(zhuǎn)移至所制作光微環(huán)I的SOI晶圓上表面。采用光刻、干法刻蝕，對(duì)所轉(zhuǎn)移的第一層石墨烯7進(jìn)行制作，僅保留光微環(huán)I結(jié)構(gòu)的上表面的局部及相關(guān)電極引線位置。透明電極10的制作采用電子束薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，制作出銦錫氧化物透明電極10。采用光刻、干法刻蝕，對(duì)所制作的銦錫氧化物透明電極10進(jìn)行制作，僅保留光微環(huán)I結(jié)構(gòu)的上表面的局部及相關(guān)電極引線位置。上保護(hù)層以及電極的制作采用化學(xué)汽相沉積技術(shù)，制作一層5000 nm的二氧化硅。采用光刻、干法刻蝕，制作出電極通孔，將第一層石墨烯7和銦錫氧化物透明電極10的電極引線部分曝露。采用濺射技術(shù)，沉積1000 nm的鋁金屬層。采用光刻、干法刻蝕，制作出招電極。由此，完成光開關(guān)芯片制作。所制作的光開關(guān)速度可以達(dá)到100GHz，開關(guān)電壓IV。實(shí)施例3 硅基波導(dǎo)的制作采用頂層硅厚為340 nm、氧化硅埋層I ii m的絕緣層上硅(SOI)材料，利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，在完成晶圓表面清洗后，進(jìn)行深紫外光刻獲得硅刻蝕掩膜，通過娃干法刻蝕，制作出寬300 nm、深220 nm的娃脊波導(dǎo),獲得由半徑10 y m的光微環(huán)I和兩條率禹合波導(dǎo)構(gòu)成的基本光路結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)與光微環(huán)I間的稱合間隙為150 nm。其中兩條稱合波導(dǎo)應(yīng)盡量保證互相平行。去除掩膜，并進(jìn)行表面清洗。介質(zhì)層的制作采用原子層沉積(ALD)技術(shù)，制作一層IOnm的絕緣物質(zhì)8(例如三
氧化二鋁)。第一層石墨烯7的轉(zhuǎn)移采用機(jī)械轉(zhuǎn)移方法，將第一層石墨烯7轉(zhuǎn)移至制作有絕緣物質(zhì)8 (例如三氧化二鋁)的光微環(huán)I的SOI晶圓上表面。采用光刻、干法刻蝕，對(duì)所轉(zhuǎn)移的第一層石墨烯7進(jìn)行制作，僅保留光微環(huán)I結(jié)構(gòu)的上表面的局部及相關(guān)電極引線位置。上保護(hù)層以及電極的制作采用化學(xué)汽相沉積技術(shù)，制作一層5000 nm的氮化硅。采用光刻、干法刻蝕，制作出電極通孔，將SOI頂層硅和第一層石墨烯7的電極引線部分曝露。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，沉積1500 nm的鋁金屬層。采用光刻、干法刻蝕，制作出鋁電極。由此，完成光開關(guān)芯片制作。所制作的光開關(guān)速度可以達(dá)到200GHz，開關(guān)電壓IV。
權(quán)利要求1.一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，其特征在于包括光微環(huán)(I)、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5);兩條耦合波導(dǎo)放置在光微環(huán)(I)的兩側(cè)，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)覆蓋在光微環(huán)(I)上，光微環(huán)(I)、兩條耦合波導(dǎo)、石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)均在同一水平面上；兩條稱合波導(dǎo)中的任意一條稱合波導(dǎo)的一端為輸入端(2),另一端為直接輸出端(3),另一條稱合波導(dǎo)與輸入端(2)對(duì)應(yīng)的一端為下載端(4),輸入端(2)與輸入波導(dǎo)相連接，直接輸出端⑶和下載端⑷分別與各自輸出波導(dǎo)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，其特征在于所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)包括第一層石墨烯(7)、絕緣物質(zhì)(8)和第二層石墨烯(9);在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)與光微環(huán)(I)的覆蓋交界處，第一層石墨烯(7)覆蓋在光微環(huán)(I)上，絕緣物質(zhì)(8)覆蓋在第一層石墨烯(7)上，第二層石墨烯(9)覆蓋在絕緣物質(zhì)(8)上，第一層石墨烯(7)和第二層石墨烯(9)延伸端分別與電極的兩極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，其特征在于所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)包括第一層石墨烯(7)、絕緣物質(zhì)(8)和透明電極(10);在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)與光微環(huán)⑴的覆蓋交界處，第一層石墨烯(7)覆蓋在光微環(huán)⑴上，絕緣物質(zhì)⑶覆蓋在第一層石墨烯(7)上，透明電極(10)覆蓋在絕緣物質(zhì)⑶上，第一層石墨烯(7)延伸端和透明電極(10)分別與電極的兩極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，其特征在于所述的光微環(huán)(I)、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)均放置在摻雜硅襯底(6)上，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)包括絕緣物質(zhì)(8)和第一層石墨烯(7);在石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)與光微環(huán)(I)的覆蓋交界處，絕緣物質(zhì)(8)覆蓋在光微環(huán)(I)上，第一層石墨烯(7)覆蓋在絕緣物質(zhì)(8)上，第一層石墨烯(7)延伸端和摻雜硅襯底(6)分別與電極的兩極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，其特征在于所述的光微環(huán)(I)為任意閉環(huán)形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)，其特征在于所述的石墨烯電容結(jié)構(gòu)層(5)覆蓋在整體或者局部的光微環(huán)(I)上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于石墨烯電吸收特性的微環(huán)光開關(guān)。包括在同一水平面上的光微環(huán)、兩條耦合波導(dǎo)和石墨烯電容結(jié)構(gòu)層；兩條耦合波導(dǎo)放置在光微環(huán)的兩側(cè)，石墨烯電容結(jié)構(gòu)層覆蓋在光微環(huán)上；兩條耦合波導(dǎo)中的一條耦合波導(dǎo)的一端為輸入端，另一端為直接輸出端，另一條耦合波導(dǎo)中與輸入端對(duì)應(yīng)的一端為下載端，輸入端與輸入波導(dǎo)相連接，直接輸出端和下載端分別與兩條輸出波導(dǎo)相連接。本實(shí)用新型改變外加電壓以改變光微環(huán)的諧振狀態(tài)，使得光信號(hào)在兩個(gè)輸出端口之間切換，實(shí)現(xiàn)光微環(huán)開關(guān)的功能。這種光微環(huán)開關(guān)所需要施加的電壓低，響應(yīng)速度極快，僅在基本光微環(huán)結(jié)構(gòu)上添加了石墨烯和絕緣物質(zhì)，完全兼容現(xiàn)有CMOS工藝，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
文檔編號(hào)G02F1/01GK202548464SQ20122019166
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者周強(qiáng), 喻平, 楊建義, 楊龍志, 江曉清, 沈奧, 胡挺, 邱晨 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)