基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器
本专利技术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。
技术介绍
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(ComplementaryMetal-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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器，包括三个结构相同的光开关，每个所述的光开关分别具有第一控制端、第二控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端和第三控制端，第一个所述的光开关的第一输出端和第二个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第二输出端和第二个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第一输出端和第三个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第一控制端和第三个所述的光开关的第一控制端连接，第一个所述的光开关的第二控制端和第三个所述的光开关的第二控制端连接，将第一个所述的光开关的第一控制端和第三个所述的光开关的第一控制端的连接端与第一个所述的光开关的第二控制端和第三个所述的光开关的第二控制端的连接端中的任意一个作为所述的电光半加器的第一控制端，用于接入第一控制信号，第二个所述的光开关的第一控制端和第二个所述的光开关的第二控制端中的任意一个作为所述的电光半加器的第二控制端，用于接入第二控制信号。第一个所述的光开关的第三控制端、第二个所述的光开关的第三控制端和第三个所述的光开关的第三控制端均接入第三控制信号，所述的第三控制信号为低电平信号，第一个所述的光开关的第一输入端为所述的电光半加器的输入端，第二个所述的光开关的第二输出端为所述的电光半加器的和信号输出端，第三个所述的光开关的第一输出端为所述的电光半加器的进位信号输出端，所述的光开关包括结构相同的两个3dB耦合器、结构相同的两个相移臂和结构相同的三个电极，所述的3dB耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，两个所述的3dB耦合器分别称为第一3dB耦合器和第二3dB耦合器，两个所述的相移臂分别称为第一相移臂和第二相移臂，三个所述的电极分别称为第一电极、第二电极和第三电极，所述的第一3dB耦合器的第一输出端通过所述的第一相移臂与所述的第二3dB耦合器的第一输入端连接，所述的第一3dB耦合器的第二输出端通过所述的第二相移臂与所述的第二3dB耦合器的第二输入端连接；所述的第一相移臂分别与所述的第一电极的一端和所述的第二电极的一端相连接，所述的第二相移臂分别与所述的第二电极的一端和所述的第三电极的一端相连接，所述的第一3dB耦合器的第一输入端为所述的光开关的的第一输入端、所述的第一3dB耦合器的第二输入端为所述的光开关的第二输入端，所述的第二3dB耦合器的第一输出端为所述的光开关的第一输出端，所述的第二3dB耦合器的第二输出端为所述的光开关的第二输出端，所述的第一电极的另一端为所述的光开关的第一控制端，所述的第二电极的另一端为所述的光开关的第三控制端，所述的第三电极的另一端为所述的光开关的第二控制端；所述的相移臂包括绝缘层、第一矩形波导、第二矩形波导和调节层，所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导按照从上到下的顺序依次排列，所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的延伸方向为从左到右，所述的第一矩形波导的左端为其输入端，所述的第一矩形波导的右端为其输出端，所述的第二矩形波导的左端为其输入端，所述的第二矩形波导的右端为其输出端，所述的绝缘层包覆在所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导上，所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的宽度均为450纳米，高度均为170纳米，折射率均为3.470，所述的调节层包括从上到下层叠的第一二氧化铪层、第一石墨烯层、第二二氧化铪层、第二石墨烯层、第三二氧化铪层、第三石墨烯层、第四二氧化铪层、第四石墨烯层、第五二氧化铪层、第五石墨烯层、第六二氧化铪层、第六石墨烯层、第七二氧化铪层、第七石墨烯层、第八二氧化铪层、第八石墨烯层和第九二氧化铪层，所述的第一石墨烯层、所述的第二石墨烯层、所述的第三石墨烯层、所述的第四石墨烯层、所述的第五石墨烯层、所述的第六石墨烯层、所述的第七石墨烯层和所述的第八石墨烯层的厚度均为0.34纳米，所述的第一二氧化铪层、所述的第二二氧化铪层、所述的第三二氧化铪层、所述的第四二氧化铪层、所述的第五二氧化铪层、所述的第六二氧化铪层、所述的第七二氧化铪层、所述的第八二氧化铪层和所述的第九二氧化铪层的厚度均为5纳米，所述的第一二氧化铪层、所述的第二二氧化铪层、所述的第三二氧化铪层、所述的第四二氧化铪层、所述的第五二氧化铪层、所述的第六二氧化铪层、所述的第七二氧化铪层、所述的第八二氧化铪层和所述的第九二氧化铪层的折射率均为2.098，所述的第一二氧化铪层的上表面与所述的第一矩形波导的下表面贴合，所述的第九二氧化铪层的上表面和所述的第二矩形波导的下表面贴合，所述的第一矩形波导的输入端、所述的第二矩形波导的输入端、所述的第一二氧化铪层的左端、所述的第一石墨烯层的左端、所述的第二二氧化铪层的左端、所述的第二石墨烯层的左端、所述的第三二氧化铪层的左端、所述的第三石墨烯层的左端、所述的第四二氧化铪层的左端、所述的第四石墨烯层的左端、所述的第五二氧化铪层的左本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯‑硅混合集成光波导的电光半加器，包括三个结构相同的光开关，每个所述的光开关分别具有第一控制端、第二控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端和第三控制端，第一个所述的光开关的第一输出端和第二个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第二输出端和第二个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第一输出端和第三个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第一控制端和第三个所述的光开关的第一控制端连接，第一个所述的光开关的第二控制端和第三个所述的光开关的第二控制端连接，将第一个所述的光开关的第一控制端和第三个所述的光开关的第一控制端的连接端与第一个所述的光开关的第二控制端和第三个所述的光开关的第二控制端的连接端中的任意一个作为所述的电光半加器的第一控制端，用于接入第一控制信号，第二个所述的光开关的第一控制端和第二个所述的光开关的第二控制端中的任意一个作为电光半加器的第二控制端，用于接入第二控制信号。第一个所述的光开关的第三控制端、第二个所述的光开关的第三控制端和第三个所述的光开关的第三控制端均接入第三控制信号，所述的第三控制信号为低电平信号，第一个所述的光开关的第一输入端为所述的电光半加器的输入端，第二个所述的光开关的第二输出端为所述的电光半加器的和信号输出端，第三个所述的光开关的第一输出端为所述的电光半加器的进位信号输出端，其特征在于所述的光开关包括结构相同的两个3dB耦合器、结构相同的两个相移臂和结构相同的三个电极，所述的3dB耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，两个所述的3dB耦合器分别称为第一3dB耦合器和第二3dB耦合器，两个所述的相移臂分别称为第一相移臂和第二相移臂，三个所述的电极分别称为第一电极、第二电极和第三电极，所述的第一3dB耦合器的第一输出端通过所述的第一相移臂与所述的第二3dB耦合器的第一输入端连接，所述的第一3dB耦合器的第二输出端通过所述的第二相移臂与所述的第二3dB耦合器的第二输入端连接；所述的第一相移臂分别与所述的第一电极的一端和所述的第二电极的一端相连接，所述的第二相移臂分别与所述的第二电极的一端和所述的第三电极的一端相连接，所述的第一3dB耦合器的第一输入端为所述的光开关的的第一输入端、所述的第一3dB耦合器的第二输入端为所述的光开关的第二输入端，所述的第二3dB耦合器的第一输出端为所述的光开关的第一输出端，所述的第二3dB耦合器的第二输出端为所述的光开关的第二输出端，所述的第一电极的另一端为所述的光开关的第一控制端，所述的第二电极的另一端为所述的光开关的第三控制端，所述的第三电极的另一端为所述的光开关的第二控制端；所述的相移臂包括绝缘层、第一矩形波导、第二矩形波导和调节层，所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导按照从上到下的顺序依次排列，所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的延伸方向为从左到右，所述的第一矩形波导的左端为其输入端，所述的第一矩形波导的右端为其输出端，所述的第二矩形波导的左端为其输入端，所述的第二矩形波导的右端为其输出端，所述的绝缘层包覆在所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导上，所述的调节层包括从上到下层叠的第一二氧化铪层、第一石墨烯层、第二二氧化铪层、第二石墨烯层、第三二氧化铪层、第三石墨烯层、第四二氧化铪层、第四石墨烯层、第五二氧化铪层、第五石墨烯层、第六二氧化铪层、第六石墨烯层、第七二氧化铪层、第七石墨烯层、第八二氧化铪层、第八石墨烯层和第九二氧化铪层，所述的第一石墨烯层、所述的第二石墨烯层、所述的第三石墨烯层、所述的第四石墨烯层、所述的第五石墨烯层、所述的第六石墨烯层、所述的第七石墨烯层和所述的第八石墨烯层的厚度均为0.34纳米，所述的第一二氧化铪层、所述的第二二氧化铪层、所述的第三二氧化铪层、所述的第四二氧化铪层、所述的第五二氧化铪层、所述的第六二氧化铪层、所述的第七二氧化铪层、所述的第八二氧化铪层和所述的第九二氧化铪层的厚度均为5纳米，所述的第一二氧化铪层、所述的第二二氧化铪层、所述的第三二氧化铪层、所述的第四二氧化铪层、所述的第五二氧化铪层、所述的第六二氧化铪层、所述的第七二氧化铪层、所述的第八二氧化铪层和所述的第九二氧化铪层的折射率均为2.098，所述的第一二氧化铪层的上表面与所述的第一矩形波导的下表面贴合，所述的第九二氧化铪层的上表面和所述的第二矩形波导的下表面贴合，所述的第一矩形波导的输入端、所述的第二矩形波导的输入端、所述的第一二氧化铪层的左端、所述的第一石墨烯层的左端、所述的第二二氧化铪层的左端、所述的第二石墨烯层的左端、所述的第三二氧化铪层的左端、所述的第三石墨烯层的左端、所述的第四二氧化铪层的左端、所述的第四石墨烯层的左端、所述的第五二氧化铪层的...

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯-硅混合集成光波导的电光半加器，包括三个结构相同的光开关，每个所述的光开关分别具有第一控制端、第二控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端和第三控制端，第一个所述的光开关的第一输出端和第二个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第二输出端和第二个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第一输出端和第三个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第一控制端和第三个所述的光开关的第一控制端连接，第一个所述的光开关的第二控制端和第三个所述的光开关的第二控制端连接，将第一个所述的光开关的第一控制端和第三个所述的光开关的第一控制端的连接端与第一个所述的光开关的第二控制端和第三个所述的光开关的第二控制端的连接端中的任意一个作为所述的电光半加器的第一控制端，用于接入第一控制信号，第二个所述的光开关的第一控制端和第二个所述的光开关的第二控制端中的任意一个作为电光半加器的第二控制端，用于接入第二控制信号。第一个所述的光开关的第三控制端、第二个所述的光开关的第三控制端和第三个所述的光开关的第三控制端均接入第三控制信号，所述的第三控制信号为低电平信号，第一个所述的光开关的第一输入端为所述的电光半加器的输入端，第二个所述的光开关的第二输出端为所述的电光半加器的和信号输出端，第三个所述的光开关的第一输出端为所述的电光半加器的进位信号输出端，其特征在于所述的光开关包括结构相同的两个3dB耦合器、结构相同的两个相移臂和结构相同的三个电极，所述的3dB耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，两个所述的3dB耦合器分别称为第一3dB耦合器和第二3dB耦合器，两个所述的相移臂分别称为第一相移臂和第二相移臂，三个所述的电极分别称为第一电极、第二电极和第三电极，所述的第一3dB耦合器的第一输出端通过所述的第一相移臂与所述的第二3dB耦合器的第一输入端连接，所述的第一3dB耦合器的第二输出端通过所述的第二相移臂与所述的第二3dB耦合器的第二输入端连接；所述的第一相移臂分别与所述的第一电极的一端和所述的第二电极的一端相连接，所述的第二相移臂分别与所述的第二电极的一端和所述的第三电极的一端相连接，所述的第一3dB耦合器的第一输入端为所述的光开关的的第一输入端、所述的第一3dB耦合器的第二输入端为所述的光开关的第二输入端，所述的第二3dB耦合器的第一输出端为所述的光开关的第一输出端，所述的第二3dB耦合器的第二输出端为所述的光开关的第二输出端，所述的第一电极的另一端为所述的光开关的第一控制端，所述的第二电极的另一端为所述的光开关的第三控制端，所述的第三电极的另一端为所述的光开关的第二控制端；所述的相移臂包括绝缘层、第一矩形波导、第二矩形波导和调节层，所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导按照从上到下的顺序依次排列，所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的延伸方向为从左到右，所述的第一矩形波导的左端为其输入端，所述的第一矩形波导的右端为其输出端，所述的第二矩形波导的左端为其输入端，所述的第二矩形波导的右端为其输出端，所述的绝缘层包覆在所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导上，所述的调节层包括从上到下层叠的第一二氧化铪层、第一石墨烯层、第二二氧化铪层、第二石墨烯层、第三二氧化铪层、第三石墨烯层、第四二氧化铪层、第四石墨烯层、第五二氧化铪层、第五石墨烯层、第六二氧化铪层、第六石墨烯层、第七二氧化铪层、第七石墨烯层、第八二氧化铪层、第八石墨烯层和第九二氧化铪层，所述的第一石墨烯层、所述的第二石墨烯层、所述的第三石墨烯层、所述的第四石墨烯层、所述的第五石墨烯层、所述的第六石墨烯层、所述的第七石墨烯层和所述的第八石墨烯层的厚度均为0.34纳米，所述的第一二氧化铪层、所述的第二二氧化铪层、所述的第三二氧化铪层、所述的第四二氧化铪层、所述的第五...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟伟，张杰，汪鹏君，李仕琪，丁健，杨建义，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33