[发明专利]基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯‑硅混合集成光波导的电光半加器，包括三个光开关，光开关包括两个3dB耦合器、两个相移臂和三个电极，相移臂包括绝缘层、第一矩形波导、第二矩形波导和调节层，第一矩形波导、调节层和第二矩形波导按照从上到下的顺序排列，调节层由九个二氧化铪层和八个石墨烯层交叉层叠形成；优点是通过改变八个石墨烯层的费米能级改变第一矩形波导和第二矩形波导的有效折射率，减小第一相移臂和第二相移臂的长度，使得整个电光半加器的面积相对较小，便于级联扩展，另外由于一个二氧化铪层和与其相邻的两个石墨烯层之间形成一个平板电容模型，电容仅在充放电的过程中消耗电能且不会持续的产生电能消耗，使得器件功耗较小。

技术领域

本发明涉及一种电光半加器，尤其是涉及一种基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器。

背景技术

随着云计算和大数据等信息业务的蓬勃发展，如何实现高效的数据交换与数据处理成为了当前的关键问题。传统硅基电子技术在超高速率、功耗和带宽等方面的发展遇到了瓶颈。光器件具有高速、大容量、超低功耗及并行的内在特性，为理想的信息载体。硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体(Complement ary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工艺相兼容的特点，因此，硅基光子技术作为目前的优势技术，可为解决这一关键问题提供有效的手段。

现有的光逻辑器件可分为三种：全光逻辑器件、热光逻辑器件和电光逻辑器件。全光逻辑器件通过利用硅材料中的非线性效应，譬如双光子吸收以及四波混频等效应，控制光信号输出，实现特定的逻辑功能。虽然全光逻辑器件具有超高速度，但其需要较强的泵浦光诱发硅材料中的非线性效应，不利于后续集成。热光逻辑器件通过利用硅材料中的热光效应，改变模式有效折射率，可完成与/与非、或/或非、异或/同或和半加器等逻辑操作，但该类型器件速度一般处于微秒量级，远不能满足未来高速光信号处理的要求。而电光逻辑器件，相对全光逻辑器件和热光逻辑器件而言，既可考虑速度的需求，又易于实现集成化，是目前研究最为广泛的一种光逻辑器件。

目前，电光逻辑器件主要是有两类，第一类采用硅基微环结构，利用载流子色散效应来实现逻辑功能，但是该类电光逻辑器件的带宽易受限，第二类采用马赫-曾德尔干涉结构来实现逻辑功能，马赫-曾德尔干涉结构具有大容差和宽带大等特性。电光半加器作为当前使用广泛的一种电光逻辑器件，其通常使用马赫-曾德尔干涉结构实现，马赫-曾德尔干涉结构中的干涉臂为使用电光材料制备的光波导，在马赫-曾德尔干涉臂上施加电压使其自身折射率发生变化从而实现半加器的功能。但是，该电光半加器需要施加很强的外电场才能改变马赫-曾德尔干涉臂的折射率变化，由此其功耗较大且所占面积相对较大，不利于级联扩展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器，该电光半加器功耗较小，所占面积较小，利于级联扩展。