[发明专利]一种石墨烯电光调制器

说明书

本发明公开了一种石墨烯电光调制器，包括第一绝缘材料层，掩埋于第一绝缘材料层中的输入波导、输出波导；掩埋于第一绝缘材料层中的位于输入波导和输出波导之间的亚波长结构；设于第一绝缘材料层上方的第二绝缘材料层，其内部上下布置两层石墨烯，两层石墨烯向外延伸并与金属电极连接，且下层石墨烯与亚波长结构之间、上层石墨烯与下层石墨烯之间均以绝缘材料间隔开来；设于第二绝缘材料层上方的第三绝缘材料层，与金属电极相连。本发明所提出的亚波长结构波导，其有效折射率低于普通波导折射率，对光的束缚作用减弱，调制效率可提高一个数量级，调制器的尺寸也相应地减小一个数量级，插入损耗也得以降低，从而实现了调制器的超小型化和高度集成。

技术领域

本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种石墨烯电光调制器。

背景技术

光调制器、光源、光电探测器和光放大器是光有源器件的四种重要类型，其中光调制器是高速、长距离光通信的关键器件。近年来随着人工智能以及大数据计算的兴起，人们对通信的容量、带宽和速率需求呈爆发式增长，硅基光调制器获得飞速发展，且硅材料已经被广泛应用于CMOS集成电路，其结构制作工艺成熟，可进行大规模、低成本生产。

石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，具有独特且优异的光电子学特性。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm²/(V·s)，这一数值超过了硅材料的10倍。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm²/(V·s)。石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3％，看上去几乎是透明的。石墨烯还可以与光强烈的相互作用，可以实现对光的超宽带、高效率调制。石墨烯电光调制器的基本原理是通过调节外加电压来改变石墨烯的化学势，从而实现石墨烯复折射率的变化，其中复折射率的实部变化体现为相位调制，复折射率的虚部变化体现为吸收调制。目前的石墨烯电光调制器仍然在调制效率、器件尺寸以及制备难度之间难以达到平衡。

另一方面，平板光子晶体器件的制备工艺已经十分完善，使用电子束刻蚀(EBL)与电感耦合等离子体(ICP)工艺在绝缘体上硅(SOI)上打孔，直径最小可达60nm以下。且均匀性良好。因此采用打孔工艺制作亚波长结构在工艺上更为可行。另外传统的光子晶体通常采用套刻工艺完成，而若能考虑到ICP过程中波导边缘以及孔的深度的关系对结构进行优化，则可以使用一次性刻蚀完成器件的制作。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯电光调制器，旨在解决现有石墨烯调制器效率低、尺寸大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯电光调制器，包括第一绝缘材料层，其长度、宽度以及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；

掩埋于第一绝缘材料层中的输入波导、输出波导；

掩埋于第一绝缘材料层中的位于输入波导和输出波导之间的亚波长结构，具体实现方式为周期排列的圆孔或方孔；

设于第一绝缘材料层上方的第二绝缘材料层，其在X方向覆盖所述亚波长结构，且在Z方向上于其内部上下布置两层石墨烯，两层石墨烯于Y方向向外延伸并与金属电极连接，且下层石墨烯与亚波长结构之间、上层石墨烯与下层石墨烯之间均以绝缘材料间隔开来；

设于第二绝缘材料层上方的第三绝缘材料层，其在X方向覆盖所述第二绝缘材料层，Y方向上与金属电极相连。

优选地，亚波长结构采用圆孔型，其包括：

位于输入波导之后，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由小变大的第一过渡波导；

位于输出波导之前，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径均匀的由大变小的第二过渡波导；

位于第一过渡波导和第二过渡波导之间的，在X、Y方向上均为周期排列，而圆孔半径保持不变的均匀亚波长波导。