本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器。

背景技術(shù)：

可調(diào)諧光光濾波器是一種波長選擇器，可以從眾多的波長中選擇出所需的波長，同時(shí)可控制調(diào)節(jié)濾波器的外部條件來改變?yōu)V波器輸出的波長。在光纖通信中可以用在波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光復(fù)用和解復(fù)用等方面，自從波分復(fù)用(wdm)技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用，極大地提高了光纖通信的傳輸速率和容量，特別是在光復(fù)用和解復(fù)用部分，可調(diào)諧光濾波器是不可或缺的關(guān)鍵器件，用來選擇特定的光波長信號(hào)。

隨著wdm系統(tǒng)的快速發(fā)展，可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧范圍要求要大于100納米，調(diào)諧速率要求為納秒級(jí)。目前科學(xué)家們已提出很多可調(diào)諧光濾波器的方案，如可調(diào)諧波導(dǎo)陣列(awg)濾波器、光纖光柵(fbg)濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器(aotf)、法布里—珀羅(fp)濾波器，但是awg濾波器大多數(shù)是作為固定部件，fbg濾波器的可調(diào)諧范圍小，aotf濾波器的尺寸大、價(jià)格高和對(duì)偏振敏感，現(xiàn)在商用化的可調(diào)諧光濾波器以fp濾波器為主，雖然具有調(diào)諧范圍寬、插入損耗低、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，但是采用機(jī)械調(diào)制的fp濾波器的調(diào)制速率較慢(毫秒級(jí))，器件尺寸較大，對(duì)溫度和振動(dòng)較敏感，器件穩(wěn)定性差。

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，其零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，使其具有超寬帶的光學(xué)響應(yīng)譜，其極高的載流子遷移率，使得石墨烯器件具有極高的響應(yīng)速率，此外，石墨烯還具有良好的柔韌性和穩(wěn)定性，與硅基半導(dǎo)體工藝兼容和電可調(diào)的特性，石墨烯的電可調(diào)特性被廣泛應(yīng)用于新型光電器件中，利用外加電壓來調(diào)諧石墨烯的折射率，從而改變器件的性能。

硅作為一種新型半導(dǎo)體材料，其材料豐富、與cmos工藝兼容、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，使其已成為集成電路工業(yè)中最基本和最重要的材料，目前大部分半導(dǎo)體器件和集成電路都是用高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片制成，隨著集成電路集成度的不斷提高，人們希望得到尺寸較小、價(jià)格較低、快速響應(yīng)的硅基新型器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的光濾波器可調(diào)諧范圍窄，調(diào)諧速率慢，尺寸大不便于集成等問題，而提出的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，包括u形基底，u形基底的u形槽內(nèi)設(shè)有條形光波導(dǎo)2，條形光波導(dǎo)2中間嵌設(shè)有至少一層石墨烯層，條形光波導(dǎo)上的石墨烯層為等間距周期性設(shè)置的叉指結(jié)構(gòu)；

石墨烯層延伸至u形基底兩端上表面，石墨烯層與石墨烯層之間、石墨烯層與u形基底之間、石墨烯層與條形光波導(dǎo)2之間均設(shè)有隔離介質(zhì)層，每層石墨烯層上均設(shè)有電極，每個(gè)電極上所加電壓均形成電壓回路。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，石墨烯層相鄰的隔離介質(zhì)層上設(shè)置電極。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，條形光波導(dǎo)2中間依次設(shè)有第一隔離介質(zhì)層51、第一石墨烯層41、第二隔離介質(zhì)層52、第二石墨烯層42、第三隔離介質(zhì)層53；

第一石墨烯層41和第二石墨烯層42為等間距周期性設(shè)置的叉指結(jié)構(gòu)，第一石墨烯層41和第二石墨烯層42上均設(shè)有電極，第一石墨烯層41延伸至u形基底一端上表面，第二石墨烯層42延伸至u形基底另一端上表面。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，條形光波導(dǎo)2包括第一條形光波導(dǎo)21和第二條形光波導(dǎo)22，第一隔離介質(zhì)層51、第一石墨烯層41、第二隔離介質(zhì)層52、第二石墨烯層42、第三隔離介質(zhì)層53設(shè)于第一條形光波導(dǎo)21和第二條形光波導(dǎo)22之間；

電極包括第一電極61和第二電極62，第一石墨烯層41上設(shè)置有第一電極61，第二石墨烯層42上設(shè)置有第二電極62。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，u形基底包括基底層1以及設(shè)置在基底層上的第一包層31、第二包層32，第一石墨烯層41延伸至第一包層31上，第二石墨烯層42延伸至第二包層32上。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述基底為二氧化硅。

所述的基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述條形光波導(dǎo)2材料為硅材料。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述第一石墨烯層41與第二石墨烯層42均為單層石墨烯，第一石墨烯層41與第二石墨烯層42結(jié)構(gòu)均為叉指結(jié)構(gòu)，叉指結(jié)構(gòu)的叉指等間距周期性設(shè)置，且叉指部分剛好覆蓋在條形光波導(dǎo)上。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述隔離介質(zhì)層是絕緣材料中的硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物之一。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述第一電極61和第二電極62為金、銀、銅或鉑材料之一。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.由于硅的材料豐富，可有效降低器件的成本，硅的折射率較大，加工工藝成熟，可制作納米級(jí)別的器件，能大大減小器件的尺寸，故利用硅制作的濾波器具有成本低、器件尺寸小、便于集成等優(yōu)勢。

2.利用新型二維材料石墨烯的電可調(diào)諧特性、超寬的響應(yīng)光譜范圍、極高的載流子遷移率和高穩(wěn)定性等特性，制成的新型石墨烯光濾波器，相對(duì)于傳統(tǒng)的光濾波器，具有調(diào)諧范圍寬，調(diào)諧速率快(納秒級(jí))，穩(wěn)定性高(對(duì)溫度不敏感)等優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的截面示意圖；

圖2是本發(fā)明的第一石墨烯層的俯視圖；

圖3是本發(fā)明的第一石墨烯層的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明基于的第二石墨烯層的結(jié)構(gòu)圖。

圖中標(biāo)記：1-基底層，2-條形光波導(dǎo)，21-第一條形光波導(dǎo)，22-第二條形光波導(dǎo)，31-第一包層，32-第二包層，41-第一石墨烯層，42-第二石墨烯層，51-第一隔離介質(zhì)層，52-第二隔離介質(zhì)層，53-第三隔離介質(zhì)層，61-第一電極，62-第二電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，并不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的其他所用實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

結(jié)合附圖1、圖2、圖3和圖4，本發(fā)明的基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，包括基底層1，所述基底層上設(shè)置有條形光波導(dǎo)2、第一包層31、第二包層32，基底層1、第一包層31和第二包層32構(gòu)成u形基底，在條形光波導(dǎo)2中間設(shè)置有第一石墨烯層41和第二石墨烯層42，第一石墨烯層41延伸至第一包層31上表面，第二石墨烯層42延伸至第二包層32上表面，在條形光波導(dǎo)2與第一石墨烯層41和第二石墨烯層42、第一石墨烯層41與第二石墨烯層42、第一石墨烯層41與第一包層31、第二石墨烯層42與第二包層32之間分別設(shè)置有隔離介質(zhì)層，第一石墨烯層41上設(shè)置有第一電極61，第二石墨烯層42上設(shè)置有第二電極62。此處，隔離介質(zhì)層上也可以設(shè)置電極，使之與各層石墨烯上加的電極形成電壓回路。

所述條形光波導(dǎo)2分為第一條形光波導(dǎo)21和設(shè)置在第一條形光波導(dǎo)21上側(cè)的第二條形光波導(dǎo)22，所述第一條形光波導(dǎo)21、第一包層31之上與第一石墨烯層41之下的隔離介質(zhì)層為第一隔離介質(zhì)層51，所述第二包層32、第一石墨烯層41之上與第二石墨烯層42之下的隔離介質(zhì)層為第二隔離介質(zhì)層52，所述第二石墨烯層42與第二條形光波導(dǎo)22之間的隔離介質(zhì)層為第三隔離介質(zhì)層53。

所述基底層1、第一包層31和第二包層32的材料為二氧化硅。

所述條形光波導(dǎo)2材料為硅材料。

所述第一石墨烯層41與第二石墨烯層42為單層石墨烯，結(jié)構(gòu)為叉指結(jié)構(gòu)，叉指結(jié)構(gòu)的叉指等間距周期性設(shè)置。第一石墨烯層41和第二石墨烯層42位于條形光波導(dǎo)2上的叉指結(jié)構(gòu)在垂直方向上重合。

所述隔離介質(zhì)層是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物等絕緣材料或者其他絕緣材料之一。

所述第一電極61、第二電極62為金、銀、銅或鉑，或者其他可用作電極的材料之一。

本發(fā)明的基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器的工作原理：光濾波器結(jié)構(gòu)中的條形光波導(dǎo)采用硅材料，利用其材料豐富、折射率較大、加工工藝成熟等特點(diǎn)，可有效降低器件制作的成本和減小器件的尺寸；石墨烯典型的零帶隙特性，賦予了石墨烯極寬的響應(yīng)光譜范圍，并且石墨烯的光學(xué)響應(yīng)特性可通過外加偏置電壓進(jìn)行調(diào)控。將第一石墨烯層41和第二石墨烯層放置在條形光波導(dǎo)2的中間，第一石墨烯層41和第二石墨烯層42結(jié)構(gòu)采用叉指結(jié)構(gòu)，叉指結(jié)構(gòu)的叉指等間距設(shè)置，如附圖3,4所示，叉指部分剛好覆蓋在條形光波導(dǎo)2上，第一石墨烯層41的一側(cè)延伸至第一包層31上，連接第一電極61，第二石墨烯層42的一側(cè)延伸至第二包層32上，連接第二電極62，通過在第一電極61和第二電極上外加偏置電壓改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，以此來改變第一石墨烯層41和第二石墨烯層42的折射率，從而改變條形光波導(dǎo)2的有效折射率。第一石墨烯層41和第二石墨烯層42叉指結(jié)構(gòu)的叉指部分沿波導(dǎo)光傳輸?shù)姆较?，周期性地分布在條形光波導(dǎo)2上，被第一石墨烯層41和第二石墨烯層42叉指覆蓋的條形光波導(dǎo)2部分，與未被第一石墨烯層41和第二石墨烯層42叉指覆蓋的條形光波導(dǎo)2部分的有效折射率不一樣，因此，在條形光波導(dǎo)2傳輸方向上，條形光波導(dǎo)2的有效折射率成周期性分布，此時(shí)該條形光波導(dǎo)2具有濾波作用，可對(duì)固定波長的光進(jìn)行反射濾波。同時(shí)可通過外加電壓來調(diào)控第一石墨烯層41和第二石墨烯層42的折射率，從而調(diào)控被第一石墨烯層41和第二石墨烯層42叉指覆蓋的條形光波導(dǎo)2部分的有效折射率，而未被第一石墨烯層41和第二石墨烯層42叉指覆蓋的條形光波導(dǎo)2部分的有效折射率始終保持不變，因此沿條形光波導(dǎo)2傳輸方向上，條形光波導(dǎo)2的有效折射率周期性分布，且有效折射率可隨外加偏置電壓的改變而改變，從而可以調(diào)諧該條形光波導(dǎo)2對(duì)一定范圍內(nèi)的光波長進(jìn)行濾波，形成光波導(dǎo)可調(diào)諧光濾波器。

實(shí)施例一

結(jié)合附圖1，本實(shí)施例基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器的基底層1、第一包層31、第二包層32材料均為二氧化硅；基底層1上設(shè)置的條形光波導(dǎo)2的寬度和高度分別為0.6μm和0.4μm，采用硅材料，條形光波導(dǎo)分為第一條形光波導(dǎo)21和設(shè)置在第一條形光波導(dǎo)21上的第二條形光波導(dǎo)22，第一條形光波導(dǎo)21、第一包層31之上與第一石墨烯層41之下的隔離介質(zhì)層為第一隔離介質(zhì)層51，所述第二包層32、第一石墨烯層41之上與第二石墨烯層42之下的隔離介質(zhì)層為第二隔離介質(zhì)層52，所述第二石墨烯層42與第二條形光波導(dǎo)層22之間的隔離介質(zhì)層為第三隔離介質(zhì)層53，隔離介質(zhì)層的厚度均為10nm，采用氮化硼(hbn)材料，第一石墨烯層41上設(shè)置有第一電極61，第二石墨烯層42上設(shè)置有第二電極62，均采用金(au)材料制作。

實(shí)施例二

一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，包括u形基底，u形基底的u型槽內(nèi)設(shè)有條形光波導(dǎo)2，條形光波導(dǎo)2中間嵌設(shè)有一層石墨烯層，條形光波導(dǎo)上的石墨烯層為等間距周期性設(shè)置的叉指結(jié)構(gòu)；

石墨烯層延伸至u形基底兩端上表面，石墨烯層與石墨烯層之間、石墨烯層與u形基底之間、石墨烯層與條形光波導(dǎo)2之間均設(shè)有隔離介質(zhì)層，石墨烯層上設(shè)有電極。在u形基底一端的表面上的石墨烯層上設(shè)置一個(gè)電極，在石墨烯層相鄰的隔離介質(zhì)層上設(shè)置另一個(gè)電極，此處的兩個(gè)電極極性相反。

石墨烯層為等間距周期性設(shè)置的叉指結(jié)構(gòu)。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，條形光波導(dǎo)2包括第一條形光波導(dǎo)21和第二條形光波導(dǎo)22，第一隔離介質(zhì)層51、第一石墨烯層41、第二隔離介質(zhì)層52、第二石墨烯層42、第三隔離介質(zhì)層53依次設(shè)于第一條形光波導(dǎo)21和第二條形光波導(dǎo)22之間；

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，u形基底包括基底層1以及設(shè)置在基底層上的第一包層31、第二包層32，石墨烯層延伸至第一包層31上，石墨烯層延伸至第二包層32上。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述基底為二氧化硅。

所述的基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述條形光波導(dǎo)2材料為硅材料。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述第一石墨烯層41與第二石墨烯層42均為單層石墨烯，第一石墨烯層41與第二石墨烯層42結(jié)構(gòu)均為叉指結(jié)構(gòu)，叉指結(jié)構(gòu)的叉指等間距周期性設(shè)置，且叉指部分剛好覆蓋在條形光波導(dǎo)上。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述隔離介質(zhì)層是絕緣材料中的硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物之一。

所述的一種基于石墨烯硅波導(dǎo)的可調(diào)諧光濾波器，所述第一電極61和第二電極62為金、銀、銅或鉑材料之一?；谑┕璨▽?dǎo)的可調(diào)諧光濾波器利用石墨烯電可調(diào)諧特性、響應(yīng)光譜范圍寬、載流子遷移率高及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，使得石墨烯光濾波器的調(diào)諧范圍較寬，調(diào)諧速度較快，器件的穩(wěn)定性高(對(duì)溫度、振動(dòng)等不敏感)，本發(fā)明利用硅材料的優(yōu)質(zhì)特性，有效降低了光濾波器的制作成本，減小了器件的尺寸，并且具有便于集成的優(yōu)勢。