基于光子晶體納米梁諧振腔的石墨烯電光調制裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種微波通信領域的技術，具體是一種基于光子晶體納米梁諧振 腔（Photomic crystal nanobeam cavity，PCNC)的石墨稀電光調制裝置。
【背景技術】
[0002] 電光調制裝置是未來光信號處理和計算系統(tǒng)中的關鍵功能元器件，探索用于芯片 上的光學器件互聯(lián)的高速、寬帶寬、小體積的集成電光調制裝置是調制裝置的發(fā)展趨勢。找 到一種能夠與互補金屬氧化物半導體（CMOS)技術兼容，同時又有良好的穩(wěn)定性和可靠性， 并且具有足夠的調制速率和調制效率的材料成為科學家們研究的重要內容。
[0003] 石墨烯的出現(xiàn)給本研究領域帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。石墨烯是由碳原子構成的二 維晶體，單層石墨烯原子的吸收光比率為2. 3%。因為石墨烯為零間隙的價帶結構，可以通 過外加驅動電壓調節(jié)石墨烯中電子的能量（費米能級）的位置，從而調控石墨烯對光的吸 收狀態(tài)，以實現(xiàn)對光的調制?；谑┑碾姽庹{制裝置因其在調制速率、調制帶寬和結構 尺寸等方面具有諸多潛在優(yōu)點而引起人們的廣泛關注和重視，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦?電光調制裝置。
[0004] 經過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN103869504A，公布日2014. 6. 18， 公開了一種基于硅基光波導微環(huán)諧振腔（MRR)的雙層石墨烯電光調制器的制備方法，首先 通過進行光波導微環(huán)諧振腔的仿真與設計，選出Q值（Quality factor，品質因數(shù)）較高的 設計并進行工藝流片，然后取已有的絕緣襯底上的硅（SOI)片進行光波導微環(huán)諧振腔的工 藝制備，接著在制備好的光波導微環(huán)諧振腔上生長兩層石墨烯和一層Al 2O3，最后引兩個對 稱分布的電極即可。該技術相對于直波導結構，微環(huán)諧振結構雖然增加了光與石墨烯的作 用長度，大大增加了調制深度，但MRR受限于自由光譜范圍FSR，在減小環(huán)半徑以增大FSR的 同時會增加彎曲損耗，降低調制效率。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種基于光子晶體納米梁諧振腔的石 墨烯電光調制裝置，在單個器件結構上集成石墨烯和PCNC的結構特點，通過仿真計算篩選 出調制深度，尚Q值的設計參數(shù)；相比現(xiàn)有的MRR石墨稀電光調制裝置，還具有尚調制速率、 高消光比和大工作波長范圍的特點。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明包括：一對電極、石墨烯層、SOI基底、依次并列設置于SOI基底上的光耦合 波導、PCNC和N型摻娃區(qū)，其中：石墨稀層設置于光親合波導、PCNC和N型摻娃區(qū)的上方， 兩個電極分別設置于N型摻硅區(qū)上和光耦合波導上方的石墨烯層上。
[0008] 所述的N型摻硅區(qū)與石墨烯層通過氧化鋁隔離層相連。
[0009] 所述的N型摻娃區(qū)厚度為50nm〇
[0010] 所述的石墨稀層的厚度為lnm。
[0011] 所述的氧化鋁隔離層的厚度為7nm〇
[0012] 所述的PCNC與光耦合波導間的距離為167nm。
[0013] 所述的PCNC的結構尺寸約為20 μ m2。
[0014] 本發(fā)明涉及上述石墨烯電光調制裝置的實現(xiàn)方法，包括以下步驟：
[0015] 1)基于娃基-石墨稀光子晶體納米梁諧振腔的仿真與設計。利用FDTDSloutions 軟件對不同參數(shù)的硅基-石墨烯光子晶體納米梁諧振腔進行仿真設計，篩選出調制深度大， 高Q值的設計參數(shù)，然后制備L - edit版圖，進行工藝流片；
[0016] 2)硅基光子晶體納米梁諧振腔的工藝制備。取已有的SOI片，已有的SOI片頂硅 厚度為220nm，中間是厚度為2 μπι的二氧化硅緩沖層。硅的N型摻雜區(qū)5通過離子注入實 現(xiàn)，厚度為50nm。采用248nm深紫外線光刻、離子耦合刻蝕（ICP)和高溫退火過程對SOI片 進行SOI基光子晶體納米梁諧振腔的加工與表面光滑化處理；
[0017] 3)石墨烯層到硅基光子晶體納米梁諧振腔的轉移和金屬電極的制備。首先，生長 Al2O3緩沖層7,然后將化學氣相沉積法（CVD)得到的石墨烯層1轉移在Al 203緩沖層7上 面。最后，金屬電極2通過光刻和剝離工藝沉積在石墨烯層1和N型摻雜區(qū)5上，Al 2O3緩 沖層7作為石墨烯與電極接觸中間電介質層。這樣就得到了所述的基于硅基光子晶體納米 梁諧振腔的石墨烯電光調制器。 技術效果
[0018] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明在單個器件結構上集成了石墨烯和PCNC的優(yōu)點，在保持 相對高的Q值時尺寸更小，F(xiàn)SR更大，SOI基底能與現(xiàn)已成熟的CMOS加工工藝相兼容，有利 于大規(guī)模集成開發(fā)，對以后集成光學芯片的微型化、高速化以及低功耗具有重大意義。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明橫截面示意圖；
[0021] 圖中：1為石墨烯層，2為電極，3為光耦合波導，4為PCNC，5為N型摻硅區(qū)域，6為 SOI基底，7為氧化鋁隔離層；
[0022] 圖3為COMSOL仿真石墨烯費米能級圖；
[0023] 圖中：(a)為石墨烯介電常數(shù)的實部、虛部和幅值與費米能級關系圖；(b)為 500*220nm2單模石墨烯一硅波導的有效折射率的實部和虛部與費米能級關系圖；
[0024] 圖4為FDTD仿真效果圖；
[0025] 圖中：(a)為本發(fā)明在不同費米能級下的歸一化透射譜圖；(b)為本發(fā)明在Ef = 0. 9eV，波長范圍為1400~1670nm時的歸一化透射譜圖；
[0026] 圖中：Re( ε )為介電常數(shù)實部，Im( ε )為介電常數(shù)虛部，Abs( ε )為介電常數(shù)幅 值，Re (nrff)為有效折射率實部，Im(IWf)為有效折射率虛部，F(xiàn)SR為自由光譜范圍。 圖5為實施例效果示意圖； 圖中：(a)為歸一化傳輸圖譜；(b)為能級圖譜。
【具體實施方式】
[0027] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不