[发明专利]具有四层石墨烯结构的光调制器

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光调制器，尤其是具有石墨烯结构的光调制器。

背景技术

光调制器的基本结构包括一个光学晶体(或光波导)，所述光学晶体或光波导位于一个与光传输方向垂直的电场中间(电场可通过在光学晶体或光波导相对应的两个平行侧面加电极，然后在两电极之间加偏置电压实现)。由于偏置电场的存在，使得光经过所述光学晶体或光波导时，其折射率或吸收率发生变化，从而引起输出光的相位或振幅的变化，这就是光调制器的基本工作原理。

光调制器在光纤通信中对光信号的调制起着至关重要的作用，由于多媒体技术、计算机网络和接入网技术的飞快进步，使数据通信业务呈爆炸性增长，人们对带宽的需求越来越高，这就决定了光传输系统向超高速、大容量和长的中继距离的方向发展；另一方面由于互联网业务的突发性，不对称性以及业务量增长的不可预测性等决定了光纤通信还会从两点通信向网络化方向发展，特别是向密集波分复用(DWDM)的高性能、大容量、灵活的全光网络方向发展，这就使得在未来的光通信中，小型化、可集成、低功耗化、高速化的光调制器是必不可少的。

石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，石墨烯在室温下具有200000cm²/Vs的电子迁移率，是目前所知材料中，电子迁移率最高的材料；从紫外线到红外线光谱区，单层的石墨烯可以吸收2.3％的光；且石墨烯在施加偏置电压的情况下，可以有效改变石墨烯的光导率。由于石墨烯具有超快的电子迁移率、较高的光吸收的优良电光特性，从而石墨烯在调制器方面的潜在应用也日益得到关注。

石墨烯光调制器，在传统的绝缘体上硅(SOI)波导上铺设石墨烯，与CMOS工艺(微电子工艺)兼容。目前，将一层或两层石墨烯覆盖在硅波导上表面、中间和底部的文献都已有报道，韩国三星电子株式会社于2012年在中国申请发明专利“包括石墨烯的光学调制器”(见专利：赵成豪；郑现钟.包括石墨烯的光学调制器.中国,发明专利,2012.10,申请号CN201210397252.3和文献：Kinam Kim；Jae-Young Choi；Taek Kim；Seong-Ho Cho；Hyun-Jong Chung.A role for graphene in silicon-based semiconductor devices[J].Nature,2011,v479,n7373,p338-44)。如图1所示，该光学调制器相当于在SOI脊波导中两个上下重叠的第一脊部和第二脊部之间插入两层石墨烯，两层石墨烯具有上下相互重叠区域或相互之间具有一定间隙，当在两层石墨烯之间施加偏置电压时，通过石墨烯与传输光的相互作用，从而改变光通过该石墨烯光学调制器时的吸收率，最终达到光调制的目的。该石墨烯光学调制器通过调整摆放两个石墨烯的相对位置实现不同结构的光学调制器，其有源区长度为35μm，3dB调制带宽f3dB＝55GHz。

石墨烯光调制器的调制速率主要受限于光调制器的RC常数，实现石墨烯光调制器的高速率，就意味着要降低光调制器的RC常数。石墨烯光调制器的电阻R主要是由石墨烯-金属接触电阻R_c贡献，电容主要是石墨烯与石墨烯之间的重叠部分构成的电容贡献(见文献Liu,Ming；Yin,Xiaobo；Ulin-Avila,E.；Baisong Geng；Zentgraf,T.；Long Ju；Feng Wang；Xiang Zhang.A graphene-based broadband optical modulator[J].Nature,2011,v474,n7349,p64-67.和文献Kinam Kim；Jae-Young Choi；Taek Kim；Seong-Ho Cho；Hyun-Jong Chung.A role for graphene in silicon-based semiconductor devices.Nature,2011,v479,n7373,p338-44.)。

为了满足未来光纤通信技术对光调制器应当具有更高的调制速度、更小的开关时间以及实现可集成，现有石墨烯光调制器无论在体积、调制速率和开关时间方面都还有待进一步提高。

发明内容

为了进一步提高现有石墨烯光调制器的性能，尤其是进一步提高调制速率以及减小石墨烯光调制器的体积、实现可集成化，本发明提供一种具有四层石墨烯结构的光调制器。

本发明技术方案如下：