本發(fā)明屬于集成光子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超薄金屬納米粒子的超緊湊石墨烯電光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的電通信相比，光通信由于自身具有高速高質(zhì)量傳輸以及超寬的工作頻帶等優(yōu)勢，成為大數(shù)據(jù)存儲和高速計算領(lǐng)域不可獲缺的重要技術(shù)。而電光調(diào)制器作為光通信和信號處理中的一種關(guān)鍵器件，其目前的發(fā)展趨勢是微型化和集成化。近些年，一系列的基于硅的調(diào)制解調(diào)器被設計出來，盡管這類器件擁有高質(zhì)量的光學共振可以增強調(diào)制強度，但是它們的熱穩(wěn)定性和帶寬問題遲遲得不到解決。

自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，引起了人們強烈的研究興趣。G.W.Hanson教授提出，石墨烯的電導率可以由Kubo公式表示為(“Duadic Green’s functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene，”J.Appl.Phys.103(6)，064302，2008)。

；其中-e為電子電量，為普朗克常數(shù)，k_B為波爾茲曼常數(shù)，f_d(ε)＝1/(1+exp[(ε-μ_c)/(k_BT)])是費米狄拉克分布，ω為角頻率，μ_c為化學勢，Γ表示散射率，T表示溫度。由上述公式可知，石墨烯的電導率是隨著化學勢的變化而變化的，不同的電導率又對應著不同的介電常數(shù)，它們的對應關(guān)系為：Re(ε_g,eq)＝-σ_g,i/ωΔ+ε₀≈-σ_g，石墨烯的損耗為|Im(ε_g,eq)/Re(ε_g,eq)|。所以，我們可以通過改變石墨烯的化學勢來得到我們想要的介電常數(shù)，從而可以得到不同的折射率。石墨烯化學勢與柵極電壓的關(guān)系為：

將石墨烯引入設計調(diào)制解調(diào)器，使得其調(diào)制效果同傳統(tǒng)的硅調(diào)制解調(diào)器相比有了極大的改善。但是由于光和單層石墨烯的耦合比較差，這款基于石墨烯的調(diào)制解調(diào)器的效率并不理想。后續(xù)又有一些基于雙層石墨烯設計等離子體吸收的調(diào)制解調(diào)器的成果，這種設計雖然可以大大提高調(diào)制效率，但是它并沒有考慮石墨烯在電場中各向異性的相互作用。因此，設計效果良好的石墨烯調(diào)制解調(diào)器的關(guān)鍵在于如何解決單層石墨烯和波導之間的耦合問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種基于超薄金屬納米粒子的超緊湊石墨烯電光調(diào)制器，不僅結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且能耗低，帶寬大，調(diào)制效率高。

一種基于超薄金屬納米粒子的超緊湊石墨烯電光調(diào)制器，包括疊合在一起的四層結(jié)構(gòu)：石墨烯層、三氧化二鋁層、硅波導層和絕緣介質(zhì)層，在所述的絕緣介質(zhì)層上設置硅波導層，在硅波導層上設置三氧化二鋁層，在三氧化二鋁層上設置覆蓋金屬結(jié)構(gòu)的石墨烯層；所述的石墨烯層包括單層石墨烯層和金屬結(jié)構(gòu)層，單層石墨烯層鋪在金屬結(jié)構(gòu)層下面；所述的金屬結(jié)構(gòu)層在垂直方向上的投影與硅波導層重合。

所述的絕緣介質(zhì)層包括中間埋層和底層襯底；在所述的底層襯底上設置中間埋層。

所述的單層石墨烯層的石墨烯為寬度為500納米，長度為2微米的矩形結(jié)構(gòu)。

所述的金屬結(jié)構(gòu)層是有三排兩列的金屬片放置而成；單個所述的金屬片的尺寸是長度為140納米，寬度為110納米，厚度為10納米，相鄰金屬片之間橫向間隔160納米，縱向間隔50納米。

所述的單層石墨烯層的一端加載金屬正電極；所述的硅波導層為硅波導內(nèi)嵌在二氧化硅介質(zhì)層中，在硅波導的一側(cè)加載金屬負電極。

所述的金屬正電極和金屬負電極均是由3納米的鉻和50納米的金構(gòu)成，其中鉻作為粘附層，金作為外加電極，金屬正電極和金屬負電極距離硅波導距離均為2微米。

所述的硅波導的材質(zhì)為P型摻雜硅，阻抗為10歐姆每厘米。

所述的硅波導層厚度為220納米，寬度400納米。

所述的絕緣介質(zhì)層是二氧化硅材料，厚度為2微米。

所述的金屬結(jié)構(gòu)層是銀材料。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于超薄金屬納米粒子的超緊湊石墨烯電光調(diào)制器，基于紅外波段石墨烯電可調(diào)特性以及金屬片的局域等離子諧振特性并利用了薄層金屬的趨膚效應帶來的耦合、損耗增強效應實現(xiàn)光波的快速寬帶調(diào)制，不僅結(jié)構(gòu)簡單、工藝CMOS兼容、尺寸小便于單片光子集成，具備25fJ/bit以內(nèi)的超低能耗、2THz以上的調(diào)制帶寬，有望用于未來海量數(shù)據(jù)傳輸、大型數(shù)據(jù)中心、高速片上/片間通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等領(lǐng)域，具備很好的實用性。

附圖說明

圖1是石墨烯電光調(diào)制器側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是石墨烯電光調(diào)制器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是石墨烯電光調(diào)制器裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是石墨烯電光調(diào)制器在導通/阻斷狀態(tài)下吸收率波長分布圖；

圖5是石墨烯電光調(diào)制器在分別在開關(guān)狀態(tài)下電磁波傳輸仿真圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示，一種基于超薄金屬納米粒子的超緊湊石墨烯電光調(diào)制器，包括疊合在一起的四層結(jié)構(gòu)：石墨烯層1、三氧化二鋁層2、硅波導層3和絕緣介質(zhì)層4，絕緣介質(zhì)層4包括中間埋層41和底層襯底42。在底層襯底42上設置中間埋層41，在中間埋層41上設置硅波導層3，在硅波導層3上設置三氧化二鋁層2，在三氧化二鋁層2上設置覆蓋金屬結(jié)構(gòu)的石墨烯層1。信號源為1.55微米的近紅外激光源。Wsi指的是硅波導的寬度。

如圖2所示，石墨烯層1包括單層石墨烯層11和金屬結(jié)構(gòu)層12，單層石墨烯層11鋪在金屬結(jié)構(gòu)層12下面。金屬結(jié)構(gòu)層12是有三排兩列的金屬片放置而成，金屬片厚度為10納米。金屬結(jié)構(gòu)層12在垂直方向上的投影與硅波導層3重合。單個金屬片的尺寸是長度為140納米，寬度為110納米，厚度為10納米，相鄰金屬片之間橫向間隔160納米，縱向間隔50納米。

在單層石墨烯層11上表面設置金屬結(jié)構(gòu)層12；單層石墨烯層11的石墨烯結(jié)構(gòu)為寬度為500納米，長度為2微米的矩形結(jié)構(gòu)。

在單層石墨烯層11的一端加載金屬正電極，硅波導層3為硅波導內(nèi)嵌在二氧化硅介質(zhì)層中，并在硅波導的一側(cè)加載金屬負電極。金屬正電極和金屬負電極是由3納米的鉻和50納米的金構(gòu)成。其中鉻作為粘附層，金作為外加電極，金屬正電極和金屬負電極距離硅波導距離均為2微米。硅波導的材質(zhì)為P型摻雜硅，阻抗為10歐姆每厘米。

硅波導層3厚度為220納米，寬度400納米。絕緣介質(zhì)層4是二氧化硅材料，厚度為2微米。金屬結(jié)構(gòu)層12是銀材料。光子集成使用晶圓多為SOI(絕緣襯底上的硅)晶圓，之所以選擇SOI晶圓更多是SOI技術(shù)與IC時代常用的體硅的一種替代，SOI晶圓是在薄層硅以及襯底之間引入氧化硅絕緣層，它具有體硅無法比擬的優(yōu)勢，用在集成電路中，中間隔離層可以實現(xiàn)元器件的介質(zhì)隔離，消除體硅CMOS電路的寄生門鎖效應，進而實現(xiàn)寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應小等優(yōu)點；用于光路，絕緣介質(zhì)層則可消除上下硅層的光學耦合。

如圖3所示，單層石墨烯層11的一側(cè)加載金屬正電極，另一端電極加載在硅波導層3的硅波導一側(cè)。紅外光源通過單模光纖輸出光載波，光波經(jīng)光柵耦合進硅波導(或片上集成光芯片中，光源直接輸出硅波導)。當導波光經(jīng)過金屬納米天線，會在金屬納米顆粒表面形成電子集體震蕩，形成局域等離子體諧振。而超薄金屬的趨膚效應會進一步提高耦合、增強諧振；等離子體諧振頻率取決于金屬納米顆粒的尺寸以及周邊的介質(zhì)環(huán)境；因而，可以通過外加偏壓改變石墨烯的摻雜進而改變其化學勢，來改變諧振頻率，實現(xiàn)對光波的調(diào)制。

如圖4所示，石墨烯電光調(diào)制器的工作在兩種工作狀態(tài)(ON，OFF)下的傳輸特性曲線。當調(diào)制電信號通過電極時，外加電壓將調(diào)控石墨烯化學勢，在0.5電子伏特與0電子伏特之間變化，進而實現(xiàn)對光載波的調(diào)制；當石墨烯化學勢為0.5eV時，器件通過的光能量降至百分之20以下，器件截止(OFF)，而當調(diào)控石墨烯化學勢為0eV時，器件導通(ON)，由此實現(xiàn)電信號對光波的寬帶調(diào)制。

如圖5所示，石墨烯電光調(diào)制器在分別在開關(guān)狀態(tài)下的光波能量密度分布圖。上圖表示在石墨烯外加電壓為0.5電子伏特時，整個器件呈現(xiàn)出導通狀態(tài)，電磁波在器件中可以沿著硅波導無障礙的傳輸；下圖表示在石墨烯沒有外加電壓的情況下，整個器件呈現(xiàn)出截止狀態(tài)，電磁波在器件調(diào)制部分形成局域等離子共振截止傳輸。由此可形象的展現(xiàn)出所設計的石墨烯電光調(diào)制器的工作過程。