[发明专利]一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器

说明书

本发明涉及一种光子晶体微腔‑石墨烯电光调制器及其制备方法，其特征包括硅基光子晶体微腔、石墨烯层以及中间绝缘层构成的平行板电容器。通过在该电光调制器第一和第二电极层上施加不同电压信号，可以对石墨烯层载流子浓度进行调节，从而调节石墨烯层费米能级，实现石墨烯层上电介质常数的实部和虚部的电调制；进一步，借助电调制的石墨烯层与硅基光子晶体微腔的共振模场相耦合，可实现硅基光子晶体微腔共振信号的高性能电调制。有益效果包括：结构紧凑，具备高调制深度、超快频率响应、低能耗等显著特征，制备过程所需工艺简单，可集成于光子芯片上提高器件单片集成度，与现有CMOS工艺完全兼容。

技术领域

本发明涉及一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，属于光电技术领域。

背景技术

芯片上光互连技术借助光子的超高传输速率和带宽积、超低传输损耗和延迟、抗电磁串扰等优点，有望解决下一代信息处理微芯片发展中的一些瓶颈问题。另一方面， 随着硅基光子学和微电子技术的不断成熟，硅基光电子集成为片上光互连提供了最接 近实用化的解决方案。但若要利用其实现芯片上信息处理，需要光电和光子器件在功 耗、物理尺寸、响应速率等性能上与电子器件的性能相比更具有竞争性。硅属于非直 接带隙的半导体材料，且带隙约为1.1eV，导致在硅基芯片上形成波长在1.55微米附 近的有效光辐射存在巨大挑战。若要在硅基芯片上实现光信号处理和通信，一种有效 的手段是采用外加光源耦合进硅芯片，同时结合硅芯片上调制器来加载和处理信息。 因此，硅芯片上的调制器是实现芯片上光电互连至关重要的一种主动器件。

但现有的片上光调制器在性能和集成工艺上仍与电子器件存在一定差距，制约了片上光电集成的发展。例如硅基光调制器由于硅折射率受载流子影响很小而一般利用 干涉光路、环形微腔或异质结电吸收等结构来实现。虽然基于干涉光路的调制器实现 了报道的最高响应速率(～50GHz)，但为实现较高消光比，其尺寸一般在几百微米甚 至毫米量级，且功耗在10pJ/bit量级。利用高品质因子微腔可有效缩小调制器的尺寸 和功耗，但由于其仅工作在共振波长，需精确调节工作波长且易受温度等环境影响。 基于异质结电吸收调制器可以将尺寸控制在10微米，且功耗可低至10fJ/bit量级，但 是在硅材料上选择性生长和掺杂锗等吸收材料需要非常复杂的工艺。

发明内容

要解决的技术问题

为克服现有技术的缺点，本发明旨在提供一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器。该调制器最显著的特性是具有高调制深度，超快频率响应、低能耗、超紧凑结构等。 所提出的制备方法所需工序简单，而且可以提高器件的单片集成度，与现有的CMOS (互补金属氧化物半导体)集成工艺完全兼容。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于包括硅基光子晶体微腔、石墨烯层以及中间绝缘层构成的平行板电容器；所述硅基光子晶体微腔上依次覆盖有中间 绝缘层和石墨烯层；所述平行板电容器的下极板为硅基光子晶体微腔；所述平行板电 容器的上极板为石墨烯层；所述硅基光子晶体微腔为具有狭缝波导缺陷的微腔，并与 一个线缺陷通道波导通过侧面耦合实现所述光子晶体微腔-石墨烯调制器光信号的输 入和输出；所述狭缝波导将所述硅基光子晶体微腔分为相互电隔离的上半部分和下半 部分；所述硅基光子晶体微腔上半部分硅平板被重掺杂而具有高导电性，并在位于光 子晶体边缘的掺杂区域设有第一电极层；所述石墨烯层被选择性刻蚀，大部分区域位 于所述硅基光子晶体微腔下半部分外侧的上方，并在上述区域设有第二电极层；所述 石墨烯层在所述硅基光子晶体微腔上具有的宽度与所述硅基光子晶体微腔沿波导方向 宽度相同；所述石墨烯层通过位于所述硅基光子晶体微腔下半部分外侧的上方区域经 过所述硅基光子晶体微腔下半部分延伸至所述的狭缝波导另一侧，但长度仅保证与所 述的硅基光子晶体微腔共振模式完全重合为止。