[发明专利]一种基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器结构

说明书

本发明公开发明了一种基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器结构。本发明属于集成光子与硅基光子学领域。该调制器由上往下依次包括超薄盖层、双层石墨烯层、竖槽型光波导、衬底层。其中，竖槽型光波导由硅基波导和狭缝构成。本发明中采用非对称的波导结构设计，将竖槽型光波导厚度减薄的同时引入超薄盖层置于双层石墨烯的上层，可以更好地将光场限制在狭缝上的双层石墨烯层中，有效地提高光场与石墨烯的相互作用，从而提高器件调制效率。超薄盖层为一层硅波导，在制作上只需在双层石墨烯上生长一层硅，而不需要后续的波导结构工艺，因而大大的简化了器件的制作工艺。本发明提出的基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器具有调制速率高、结构紧凑、与CMOS兼容工艺简单等优点，可广泛应用于批量化、高速高密度硅基光电子集成系统中。

技术领域

本发明涉及集成光学和硅基光子学领域，具体涉及一种超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器结构，更具体地利用超薄盖层和竖槽型光波导的非对称结构设计，实现石墨烯与光场相互作用的增强，以提高调制器的调制效率。

背景技术

硅基光电子技术因其与传统的CMOS工艺相兼的优势，成为了业界普遍认可光电集成中最具发展潜力的关键技术之一。光调制器作为光电器件的核心器件具有重要的研究意义。硅基石墨烯光电器件，充分利用石墨烯优越的光学性能和电学性能，实现了大带宽、超高速的强度调制和相位调制。近年来，硅基石墨烯的研究获得了广泛的关注，围绕调制器的调制速率和调制效率开展了大量的研究工作。有效提升调制器调制效率，是实现硅基光电集成的关键技术之一。

为了提升调制器的调制效率，本发明提出了一种基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器结构。该调制器由上往下依次包括超薄盖层、双层石墨烯层、竖槽型光波导、衬底层。其中，竖槽型光波导由硅波导和狭缝构成。该调制器结构采用非对称的波导结构设计，将竖槽型光波导的厚度减薄的同时引入超薄盖层置于双层石墨烯上层。通过上述结构，可以更好地将狭缝上方的光场限制双层石墨烯层中，有效地提高了光场与石墨烯的相互作用，从而提高器件的调制效率。超薄盖层为一层薄硅波导，在器件制作上只需在双层石墨烯上生长一层硅，而不需要后续的波导结构工艺，因而可以在提高器件性能的同时简化器件的制作工艺。本发明提出的基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器具有调制速率高、结构紧凑、与CMOS兼容工艺简单等优点，可广泛应用于批量化、高速高密度硅基光电子集成系统中。。

发明内容

硅光调制器因其制作工艺与传统的COMS工艺相兼容，具有高速、大带宽、高度集成等优势，因此在片上集成系统中具有重要的研究意义。本发明提供了一种基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器结构，该器件利用非对称波导结构设计，结合狭缝波导的优势，设计了具有更高调制效率的石墨烯光调制器。

本发明一种基于超薄盖层的竖槽型石墨烯光调制器结构，包含了超薄盖层(1)、双层石墨烯层(2)、竖槽型光波导(3)、衬底层(4)、第一电极(5)和第二电极(6)；该器件由上往下依次为超薄盖层(1)、双层石墨烯层(2)、竖槽型光波导(3)、衬底层(4)。

上述的超薄盖层(1)位于第一电极(5)和第二电极(6)之间，超薄盖层(1)整个覆盖于双层石墨烯层(2)上。超薄盖层(1)材料为硅材料，其厚度不大于100nm，因为该厚度的超薄盖层(1)单独作为光波导时具有较小的限制因子，光波超薄盖层(1)中传输的损耗较大。

上述双层石墨烯层(2)包含了第一石墨烯层(21)、第二石墨烯层(22)和介质填充层(23)，其中第一石墨烯层(21)和第二石墨烯层(22)内嵌于介质填充层(23)中。

上述竖槽型光波导(3)的掩埋于衬底层(4)，在设计中通过减薄竖槽型光波导(3)的厚度，从而减小波导限制因子，增加波导外倏逝场的能量，从而提高光场与石墨烯的相互作用，但是薄竖槽型光波导(3)厚度不能太小，需要保证光场模式的传输损耗较小。

优选地，对于工作波长在1550nm，上述竖槽型光波导(3)的厚度介于140nm～200nm。