本發(fā)明涉及一種光邏輯門(mén)器件，具體涉及一種基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益膨脹和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于信息處理速度的要求也在不斷增長(zhǎng)。盡管全光信息處理系統(tǒng)的運(yùn)算速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子系統(tǒng)，但現(xiàn)階段真正的全光網(wǎng)絡(luò)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)有基于電子技術(shù)的通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要完成光－電－光的轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換效率就成為了高速網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在未來(lái)的光通信系統(tǒng)中，制作集成化、高速化、小型化的光調(diào)制器是必然的發(fā)展趨勢(shì)。其中光調(diào)制是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的過(guò)程，通過(guò)電光效應(yīng)即把電壓加載到電光晶體上時(shí)，電光晶體的折射率將發(fā)生變化，結(jié)果引起通過(guò)該晶體的光波特性的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的相位、幅度、強(qiáng)度以及偏振狀態(tài)的調(diào)制。

目前，由于基于量子阱斯塔克效應(yīng)或體吸收效應(yīng)的電吸收調(diào)制器其材料本身較弱的電光特性，使得這種基于硅基的調(diào)制器尺寸偏大。而其他基于鍺或其他化合物半導(dǎo)體的調(diào)制器，則是難以與現(xiàn)有的CMOS工藝集成；而那些帶有高效光學(xué)共振器的集成硅調(diào)制器，雖然其調(diào)制能力較強(qiáng)，但是由于其調(diào)制帶寬過(guò)窄，并且需要極其精細(xì)的光路設(shè)計(jì)，以及極其嚴(yán)格的制作要求與有限的熱穩(wěn)定性，使其發(fā)展受到了許多限制。因此，找到一個(gè)能與現(xiàn)有CMOS工藝相兼容，同時(shí)擁有足夠的調(diào)制速率與強(qiáng)度并且可以制成體積足夠小調(diào)制器的材料，對(duì)未來(lái)光通信領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

石墨烯，由于其獨(dú)特的電子、光學(xué)、能帶特性，從第一次被制造出來(lái)以后，便受到了各國(guó)研究人員的重視。人們對(duì)它的特性以及實(shí)際、理論上應(yīng)用研究越來(lái)越多。近年來(lái)，許多基于石墨烯的電子、光學(xué)器件已經(jīng)被提出和制造出來(lái)。由于其極其獨(dú)特的光學(xué)特性，石墨烯在集成光學(xué)上的應(yīng)用被認(rèn)為是非常有潛力的應(yīng)用方向之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件，具有光信號(hào)耦合調(diào)制一體化的功能，傳輸損耗低，響應(yīng)速率快，驅(qū)動(dòng)電壓低，調(diào)制帶寬寬，集成度高，且其制作工藝與COMS數(shù)字集成電路工藝兼容。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明采用了A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)輸出，并且在單一結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)兩種邏輯門(mén)功能。

一種基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件，包括三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的直波導(dǎo)和兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的環(huán)形波導(dǎo)，將三個(gè)直波導(dǎo)分別稱為第一直波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)，將兩個(gè)環(huán)形波導(dǎo)分別稱為第一環(huán)形波導(dǎo)和第二環(huán)形波導(dǎo)，三個(gè)直波導(dǎo)等間距并排設(shè)置，第一環(huán)形波導(dǎo)置于第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)之間，第二環(huán)形波導(dǎo)置于第二直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)之間；五個(gè)波導(dǎo)整體呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且五個(gè)波導(dǎo)均為單模脊形波導(dǎo)，單模脊形波導(dǎo)包括脊形硅層和二氧化硅底層。

第一直波導(dǎo)的下端作為單模光纖接口，第一直波導(dǎo)上部與第一環(huán)形波導(dǎo)左側(cè)形成第一耦合區(qū)；第一環(huán)形波導(dǎo)右側(cè)與第二直波導(dǎo)上部形成第二耦合區(qū)，第二直波導(dǎo)下部與第二環(huán)形波導(dǎo)左側(cè)形成第三耦合區(qū)；第二環(huán)形波導(dǎo)右側(cè)與第三直波導(dǎo)下部形成第四耦合區(qū)，第三直波導(dǎo)的上端作為邏輯輸出端。

第一耦合區(qū)、第二耦合區(qū)、第三耦合區(qū)和第四耦合區(qū)的耦合間距相同。

對(duì)第一環(huán)形波導(dǎo)的上部中心區(qū)域，在脊形硅層的脊形區(qū)域嵌入一層石墨烯層，在該脊形區(qū)域的上下兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)與脊形硅層同彎曲方向的共面波導(dǎo)電極，形成第一吸收調(diào)制區(qū)；所述第一環(huán)形波導(dǎo)的上部中心區(qū)域?yàn)榈谝画h(huán)形波導(dǎo)上第一耦合區(qū)和第二耦合區(qū)之間的上部區(qū)域。

對(duì)第二環(huán)形波導(dǎo)的下部中心區(qū)域，在脊形硅層的脊形區(qū)域嵌入一層石墨烯層，在該脊形區(qū)域的上下兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)與脊形硅層同彎曲方向的共面波導(dǎo)電極，形成第二吸收調(diào)制區(qū)；所述第二環(huán)形波導(dǎo)的下部中心區(qū)域?yàn)榈诙h(huán)形波導(dǎo)上第三耦合區(qū)和第四耦合區(qū)之間的下部區(qū)域。

第一吸收調(diào)制區(qū)(4-1)與第二吸收調(diào)制區(qū)(4-2)的結(jié)構(gòu)尺寸相同。

在第一吸收調(diào)制區(qū)和第二吸收調(diào)制區(qū)中，通過(guò)兩個(gè)共面波導(dǎo)電極進(jìn)行模擬電信號(hào)的加載與調(diào)制，改變石墨烯層的費(fèi)米能級(jí)，引起石墨烯層吸收系數(shù)的變化，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行吸收與調(diào)制；通過(guò)改變石墨烯層沿脊形硅層彎曲方向的長(zhǎng)度，改變光信號(hào)的衰減程度。

同時(shí)根據(jù)石墨烯波導(dǎo)調(diào)制長(zhǎng)度，確定最終光信號(hào)的衰減程度，進(jìn)而控制輸出光能量，實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。

由于石墨烯的零帶隙特性，光與石墨烯的相互作用強(qiáng)烈，與化合物半導(dǎo)體相比較，石墨烯有著更強(qiáng)烈的帶間光學(xué)躍遷。而且石墨烯的光吸收是對(duì)波長(zhǎng)無(wú)選擇性的，其工作波長(zhǎng)范圍覆蓋了所有的電訊通信帶寬，包括中紅外和遠(yuǎn)紅外。此外，基于它零帶隙等特性，讓石墨烯還擁有著極高的載流子遷移率。極高的載流子遷移率使得石墨烯的費(fèi)米能級(jí)可迅速的通過(guò)帶填充效應(yīng)調(diào)制，操作速率非常高，對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的反應(yīng)靈敏。石墨烯可以同時(shí)滿足高調(diào)制速率、寬帶寬、小型化等條件，又能兼容CMOS數(shù)字集成電路工藝。

進(jìn)一步的，通過(guò)不同的石墨烯波導(dǎo)調(diào)制長(zhǎng)度，分別實(shí)現(xiàn)或非門(mén)及與非門(mén)這兩種不同的邏輯功能：當(dāng)滿足單個(gè)吸收調(diào)制區(qū)即可將光信號(hào)的能量吸收掉時(shí)，該器件實(shí)現(xiàn)或非門(mén)的邏輯功能；當(dāng)需要兩個(gè)吸收調(diào)制區(qū)同時(shí)吸收調(diào)制才能使輸出端無(wú)輸出光時(shí)，該器件實(shí)現(xiàn)與非門(mén)的邏輯功能。

進(jìn)一步的，在光信號(hào)到達(dá)耦合區(qū)的過(guò)程中，通過(guò)模擬掃描，得到環(huán)形波導(dǎo)半徑和波導(dǎo)間距與耦合效率的關(guān)系曲線，在保證耦合效率最高的情況下，我們要盡量減小波導(dǎo)半徑，有利于器件的集成，避免不必要的傳輸損耗。

有益效果：本發(fā)明提供的一種基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、采用環(huán)形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)有效減小了器件長(zhǎng)度，且采用SOI材料制作的單模脊形波導(dǎo)，最大限度地減小了傳播損耗；2、基于石墨烯的調(diào)制器具有高調(diào)制速率、寬帶寬、小型化等特點(diǎn)，又能兼容CMOS數(shù)字集成電路工藝。3、該器件同時(shí)完成高效耦合及高速調(diào)制，快速完成模擬電信號(hào)到數(shù)字光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)超快電光邏輯門(mén)操作；4、在單一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變調(diào)制區(qū)間長(zhǎng)度就可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的邏輯門(mén)功能，可以在高速通信網(wǎng)絡(luò)中獲得應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件的A-A截面圖；

圖3為本發(fā)明中第一吸收調(diào)制區(qū)所輸入的模擬電信號(hào)；

圖4為本發(fā)明中第二吸收調(diào)制區(qū)所輸入的模擬電信號(hào)；

圖5為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)或非邏輯功能時(shí)所輸出的數(shù)字光信號(hào)；

圖6為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)與非邏輯功能時(shí)所輸出的數(shù)字光信號(hào)；

圖中包括：1-1第一個(gè)直波導(dǎo)，1-2第二個(gè)直波導(dǎo)，1-3第三個(gè)直波導(dǎo)，2-1第一個(gè)環(huán)形波導(dǎo)，2-2第二個(gè)環(huán)形波導(dǎo)，3-1第一耦合區(qū)，3-2第二耦合區(qū)，3-3第三耦合區(qū)，3-4第四耦合區(qū)，4-1第一吸收調(diào)制區(qū)，4-2第二吸收調(diào)制區(qū)，5、共面波導(dǎo)電極，6、脊形硅層，7、二氧化硅底層，8、石墨烯層

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1、2所示為一種基于單層石墨烯的單一結(jié)構(gòu)的雙邏輯門(mén)光調(diào)制器件，包括三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的直波導(dǎo)和兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的環(huán)形波導(dǎo)，將三個(gè)直波導(dǎo)分別稱為第一直波導(dǎo)1-1、第二直波導(dǎo)1-2和第三直波導(dǎo)1-3，將兩個(gè)環(huán)形波導(dǎo)分別稱為第一環(huán)形波導(dǎo)2-1和第二環(huán)形波導(dǎo)2-2，三個(gè)直波導(dǎo)等間距并排設(shè)置，第一環(huán)形波導(dǎo)2-1置于第一直波導(dǎo)1-1和第二直波導(dǎo)1-2之間，第二環(huán)形波導(dǎo)2-2置于第二直波導(dǎo)1-2和第三直波導(dǎo)1-3之間；五個(gè)波導(dǎo)整體呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且五個(gè)波導(dǎo)均為單模脊形波導(dǎo)，單模脊形波導(dǎo)包括脊形硅層6和二氧化硅底層7。

第一直波導(dǎo)1-1的下端作為單模光纖接口，第一直波導(dǎo)1-1上部與第一環(huán)形波導(dǎo)2-1左側(cè)形成第一耦合區(qū)3-1；第一環(huán)形波導(dǎo)2-1右側(cè)與第二直波導(dǎo)1-2上部形成第二耦合區(qū)3-2，第二直波導(dǎo)1-2下部與第二環(huán)形波導(dǎo)2-2左側(cè)形成第三耦合區(qū)3-3；第二環(huán)形波導(dǎo)2-2右側(cè)與第三直波導(dǎo)1-3下部形成第四耦合區(qū)3-4，第三直波導(dǎo)1-3的上端作為邏輯輸出端。第一耦合區(qū)3-1、第二耦合區(qū)3-2、第三耦合區(qū)3-3和第四耦合區(qū)3-4的耦合間距相同。

對(duì)第一環(huán)形波導(dǎo)2-1的上部中心區(qū)域，在脊形硅層6的脊形區(qū)域嵌入一層石墨烯層8，在該脊形區(qū)域的上下兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)與脊形硅層6同彎曲方向的共面波導(dǎo)電極5，形成第一吸收調(diào)制區(qū)4-1；所述第一環(huán)形波導(dǎo)2-1的上部中心區(qū)域?yàn)榈谝画h(huán)形波導(dǎo)2-1上第一耦合區(qū)3-1和第二耦合區(qū)3-2之間的上部區(qū)域。

對(duì)第二環(huán)形波導(dǎo)2-2的下部中心區(qū)域，在脊形硅層6的脊形區(qū)域嵌入一層石墨烯層8，在該脊形區(qū)域的上下兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)與脊形硅層6同彎曲方向的共面波導(dǎo)電極5，形成第二吸收調(diào)制區(qū)4-2；所述第二環(huán)形波導(dǎo)2-2的下部中心區(qū)域?yàn)榈诙h(huán)形波導(dǎo)2-2上第三耦合區(qū)3-3和第四耦合區(qū)3-4之間的下部區(qū)域。第一吸收調(diào)制區(qū)4-1與第二吸收調(diào)制區(qū)4-2的結(jié)構(gòu)尺寸相同。

在第一吸收調(diào)制區(qū)4-1和第二吸收調(diào)制區(qū)4-2中，通過(guò)兩個(gè)共面波導(dǎo)電極5進(jìn)行模擬電信號(hào)的加載與調(diào)制，改變石墨烯層8的費(fèi)米能級(jí)，引起石墨烯層8吸收系數(shù)的變化，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行吸收與調(diào)制；通過(guò)改變石墨烯層8沿脊形硅層6彎曲方向的長(zhǎng)度，改變光信號(hào)的衰減程度。

同時(shí)根據(jù)石墨烯波導(dǎo)調(diào)制長(zhǎng)度，確定最終光信號(hào)的衰減程度，進(jìn)而控制輸出光能量，實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。

通過(guò)不同的石墨烯波導(dǎo)調(diào)制長(zhǎng)度，分別實(shí)現(xiàn)或非門(mén)及與非門(mén)這兩種不同的邏輯功能：

如圖3、4、5所示，當(dāng)滿足單個(gè)吸收調(diào)制區(qū)4-1、4-2即可將光信號(hào)的能量吸收掉時(shí)，分別對(duì)兩個(gè)吸收調(diào)制區(qū)4-1、4-2的共面波導(dǎo)電極5進(jìn)行加電控制：只有在第一吸收調(diào)制區(qū)4-1和第二吸收調(diào)制區(qū)4-2全都處于低電平時(shí)，石墨烯費(fèi)米能級(jí)沒(méi)有發(fā)生變化，即吸收系數(shù)沒(méi)有變化，對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有吸收，輸入信號(hào)完整通過(guò)，邏輯輸出端才會(huì)有輸出；當(dāng)?shù)谝?、第二吸收調(diào)制區(qū)4-1、4-2中有任意一個(gè)處于高電平的時(shí)候，邏輯輸出端都不會(huì)有輸出。此時(shí)該器件實(shí)現(xiàn)或非門(mén)的邏輯功能。

如圖3、4、6所示，當(dāng)需要兩個(gè)吸收調(diào)制區(qū)4-1、4-2同時(shí)吸收調(diào)制才能使輸出端無(wú)輸出光時(shí)，分別對(duì)兩個(gè)吸收調(diào)制區(qū)4-1、4-2的共面波導(dǎo)電極5進(jìn)行加電控制：只有在第一吸收調(diào)制區(qū)4-1和第二吸收調(diào)制區(qū)4-2全都處于高電平時(shí)，石墨烯費(fèi)米能級(jí)發(fā)生改變，即其吸收系數(shù)改變，進(jìn)輸入信號(hào)有較強(qiáng)的吸收，而過(guò)大的吸收損耗，使得輸入信號(hào)不能通過(guò)，邏輯輸出端才不會(huì)有輸出；當(dāng)?shù)谝?、第二吸收調(diào)制區(qū)4-1、4-2中有任意一個(gè)處于低電平的時(shí)候，邏輯輸出端都會(huì)有輸出。此時(shí)該器件實(shí)現(xiàn)與非門(mén)的邏輯功能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。