基于石墨烯的新型电光调制器的结构设计制造技术

基于石墨烯的新型电光调制器是属于光通信领域，涉及光波导技术。其光波导由Si和石墨烯为主要材料构成一个Mach-Zehnder干涉结构。石墨烯分布于Si波导中间，呈一个类三明治的结构，每层石墨烯由5nm厚度的hBN隔开。由于石墨烯优异的电光特性，大大地提高了电光调制器的调制带宽、调制速率，减小了插入损耗。由于该器件体积小，运作稳定，更易于产业化。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】基于石墨烯的新型电光调制器是属于光通信领域，涉及光波导技术。其光波导由Si和石墨烯为主要材料构成一个Mach-Zehnder干涉结构。石墨烯分布于Si波导中间，呈一个类三明治的结构，每层石墨烯由5nm厚度的hBN隔开。由于石墨烯优异的电光特性，大大地提高了电光调制器的调制带宽、调制速率，减小了插入损耗。由于该器件体积小，运作稳定，更易于产业化。【专利说明】基于石墨烯的新型电光调制器的结构设计
基于石墨烯的新型电光调制器是属于光通信领域，涉及光波导技术。
技术介绍
电光调制器在光纤通信系统里扮演了十分重要的一个角色。由于互联网的突发性等因素导致光纤通信从传统的两点通信发展为网络化，例如密集波分复用(DWDM = DenseWavelength Division Multiplexing)的高性能、大容量的全光网络。光纤通信单信道的传输极限是100Gb/S，但是我们目前的终端信号处理能力相对于光纤本身的巨大传输能力就拙荆见肘了，所以电光调制器作为光收发模块的重要部件，它的研究意义就变得十分重要了。高速电光调制器是光电开关的基础，除了应用于光纤通信外，还有很多其他的用途。高速相位调制器可以用于相干光纤通信系统，在密集波分复用的光纤通信系统中多用于产生多光频的梳形发生器，又或者用作于激光束的电光移频器。石墨烯电光调制器具有非常优秀的特性，可以用于光纤有线电视(CATV)系统、无线通信系统中继站和中继站之间的光链路和高速A/D转换器。另外，高速电光调制器除了用于以上的高数据率的数字光纤系统外,还可以在光时分复用(OTDM)系统中产生出高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子，在先进雷达的欺骗系统中充当光子带宽微波移相器以及移频器，在微波相控阵雷达中充当光子时间延迟器，用于高速光波元件分析仪器，用于测量微弱的微波电场等等。石墨烯(Graphene)是近几年发展非常迅猛的一种新型二维无机纳米材料。自从它被发现以来，在化学、电子、物理、材料等领域都得到了广阔的应用。它出色的导电导热性能使它成为了一种非常理想的无机纳米材料，在半导体光电器件中，石墨烯也有非常广大的应用前景。相比较于传统的半导体材料，石墨烯在很多方面都具有显著的优势。比如石墨烯中的载流子的迁移率可以达到15000cm2/(V.s)，这相当于光速的1/300，远远超过了其他的半导体材料。由于石墨烯是单原子层的结构，在可见光区的透过率高达97%以上，有着优越的光学性能。电光调制器在光通信领域里是十分重要的一个器件，而以石墨烯作为介质的电光调制器，具有传统电光调制器所不具备的很多优势。它大大提高了调制器的调制带宽、调制速率，拥有更小的损耗，而且石墨烯制备技术也已经比较成熟，制作成本比较低廉，且储量丰富。石墨烯调制器取代传统的硅基半导体电光调制器已是必然。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就是如何利用石墨烯作为介质设计制作出调制效果更好的光波导，并以此为基础提高相应电光调制器的各项性能参数。整个调制器采用的是Mach-Zehnder结构。其组成见附图1、2。装置的参数已经标示在图中，该装置由金属电极、石墨烯层以及脊型波导组成。图1中，调制器波导的两臂5间隔为3 μ m，波导的宽度为390nm，高度为335nm。金属电极1、2、3分别位于波导两臂的两侧550nm远处，石墨烯层4穿过脊波导分别和电极1、2、3相连。图2中，在底部是一个450nm厚度的二氧化硅基底10，在基底层上方是一个90nm厚的硅波导高折射率层9，在其上方是一个两端连接光栅耦合器的390nm宽度和335nm厚度的硅脊型波导8。为了提高调制器的调制效率，我们在硅波导的中间增加了一个石墨烯层12。可以在图中看到，位于Si波导中间的就是一个类似于三明治结构的石墨烯层结构。每两层石墨烯之间都由5nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料7隔开，形成一个电容器的结构，hBN是一种很好的电绝缘材料。多余的石墨烯层通过氧化物11和波导隔开。石墨烯层正好位于硅波导光场分布的最大区域，这样的话，石墨烯层的吸收效率就能最大化，能够大大地提闻调制器的性能。石墨烯层的加入大大减小了硅波导的RC常数，极大地提高了调制器的调制速率，同时也减小了调制器的损耗。由于石墨烯具有极其优异的电光特性，石墨烯中的载流子的迁移率可以达到15000cm2/(V.S)，这相当于光速的1/300，远远超过了其他的半导体材料，再加上本身是单原子层的结构，在可见光区的透过率高达97%以上，可以吸收2.3%的正常入射的紫外光和可见光，所以石墨烯调制器相对于传统的电光调制器具有更大的调制带宽。基于石墨烯的Mach-Zehnder型电光调制器工作原理:利用了经典的M-Z干涉结构，通过在光波导两臂施加不同的电压，改变光波导的折射率，然后再经过一个Y分支将信号合为一路输出。输出的光功率可以由两臂的电压共同控制。相比于传统的M-Z型电光调制器，石墨烯材料 对于外加电压更加敏感。石墨烯的费米能级会随着外加电压的变化而发生显著的变化，这直接导致了石墨烯材料本身的电光特性发生了极大地变化。本调制器的主要参数分析:经过仿真计算，可以得到本调制器的各项参数，其中调制带宽可以达到12THz以上，调制速率理论上可以达到180Ghz-800Ghz，插入损耗为-1.66dB，消光比为36.8dB。本专利技术的有益效果:1、与传统的电光调制器相比，石墨烯调制器具有优异的电光特性，施加外电压会极大地改变光波导的有效折射率，大大提高了电光调制器的调制带宽和调制速率，减小了调制器的插入损耗，这是光学系统向集成化发展的一个优先选择。2、由于采用了石墨烯材料，由于调制器两臂有效折射率的差值远远超过传统材料的调制器，极大地缩小了调制器的尺寸，而且运作稳定，更易于产业化。3、实现了高带宽、高速、大容量调制，可以应用与光线到户等等各项举措，应时应旦-5^ O本专利技术的应用价值:该电光调制器主要运用于高速宽带源远距离的光纤通信系统中，在集成光路中也有其独特的优势和运作性能。【专利附图】【附图说明】图1Mach-Zehnder调制器俯视图图2Mach_Zehnder调制器光波导横截面结构图【具体实施方式】二氧化硅基底是通过在顶层硅和衬底上引入氧化层形成的，石墨烯层是通过化学沉积的方式生长在脊波导上，而六方氮化硼则是通过等离子体化学沉积的过程形成的。上层的脊型硅波导则是通过焊接技术来进行组装。【权利要求】1.基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型电光调制器结构设计,包括二氧化娃基底、娃波导、三层交叉的石墨烯层、隔离层以及电极，当通过电极在光波导两臂施加不同的电压时，石墨烯的费米能级会发生不同程度的改变，导致光波导的有效折射率也会随之发生不同的改变，最终在第二个Y分支处发生干涉调制。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型电光调制器结构设计,其特征在于，所述二氧化硅基底厚度为450nm。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型电光调制器结构设计,其特征在于，所述娃波导平板层厚度为90nm,脊形波导宽390nm,总厚度为335nm。4.根据权利要求1、3所述的基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型电光调制器结构设计，其特征在于，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于石墨烯的Mach‑Zehnder干涉型电光调制器结构设计，包括二氧化硅基底、硅波导、三层交叉的石墨烯层、隔离层以及电极，当通过电极在光波导两臂施加不同的电压时，石墨烯的费米能级会发生不同程度的改变，导致光波导的有效折射率也会随之发生不同的改变，最终在第二个Y分支处发生干涉调制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓霞，王建敏，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51