一种基于石墨烯的硅基微环光路由器制造技术

本发明专利技术属于集成光学技术领域，公开了一种基于石墨烯的硅基微环光路由器。本发明专利技术包括至少一个微环光路由器，微环光路由器包括两条相互平行的总线光波导I和总线光波导II，总线光波导I和总线光波导II之间设置有微环，微环连接有电极，微环的整体或部分区域设置有石墨烯层，设置有石墨烯层的微环从下至上依次包括微环硅层、下分隔层、石墨烯层、上分隔层、微环硅层和包层，所述石墨烯层的一侧延伸到电极的下方。本发明专利技术能够灵活且实时地选择和分离出具有特定波长值的光信号；本发明专利技术的器件设计灵活、能耗较低、使用方便，满足不同的波分复用要求；通过对不同的电极施加不同的偏置电压，可以实现不同波长光信号的选择以实现光路由功能。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于集成光学
，公开了一种基于石墨烯的硅基微环光路由器，由含有石墨烯与电极的硅基微环与两个直波导耦合构成，可用于实现光波分复用和光路由功能。

技术介绍

材料绝缘体上硅（SOI）技术是在微电子行业领域被广泛采用的硅集成电路技术。SOI是指将一薄层硅置于绝缘衬底上，这一薄层硅被称为“器件层”，可以通过刻蚀等方法来将各种结构和器件制备在该薄层硅上。硅基光子器件由于融合了制备成本低、可电光集成化以及与CMOS工艺的高度兼容性等优势，近年来渐渐成为最有可能实现大规模光电集成的材料。近几年的理论和实验研究也表明，硅基微环谐振结构可以很大程度上减小器件的尺寸以适应更高的集成度，并且具有适合采用单片集成的工艺制作、级联形式更加灵活多变等突出优点。因此基于SOI材料的微环谐振结构对于制作低成本、高性能并且结构紧凑的光电器件具有重要意义。
作为材料界的一颗新星，石墨烯打开了二维材料的大门，并且催生出一系列性能优良，设计灵活的光电子器件。石墨烯是排列成二维蜂窝状晶格结构的单层碳原子，其在电学、光学、机械和热力学的优良特性让很多其它材料望其项背。基于石墨烯的硅光电子器件适应于芯片级别上光学器件能够与CMOS技术兼容，并且具有良好的稳定性和可靠性。由于石墨烯的载流子迁移率室温下非常高，所以其费米能级可迅速的通过带填充效应调制,进而可以高速的调制其对于光的吸收。同时石墨烯的光吸收是独立于光波长的,几乎覆盖所有的电讯通信带宽，这也就意味这该材料可以进行宽带宽操作。
随着科学技术的迅猛发展与通信领域信息传输量的迅猛增长，光信息传输网络也应运而生。光传输网络具有宽带、大容量、性能可靠、抗干扰保密性强等优势。光波分复用技术是目前最成功、最广泛应用的光信道复用技术，为建设超大容量的光纤网络奠定了物质基础，而适合于光波分复用和光路由技术并且具有宽带、稳定可靠、可扩展性等的光波分复用或者光路由元器件也越来越受到关注和重视。

技术实现思路

本专利技术提供一种基于石墨烯的硅基微环光路由器，具有集成度高、可扩展性强、与CMOS工艺兼容便于与其他光电元件集成的特点，通过改变外加电压灵活的选择具有特性波长的光信号，并且可以进行级联使用。
为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
一种基于石墨烯的硅基微环光路由器，其特征在于，包括至少一个微环光路由器，所述微环光路由器包括两条相互平行的总线光波导I和总线光波导II，所述的总线光波导I和总线光波导II之间设置有微环，所述微环连接有电极，所述微环的整体或部分区域设置有石墨烯层，设置有石墨烯层的微环从下至上依次包括微环硅层、下分隔层、石墨烯层、上分隔层、微环硅层和包层，所述石墨烯层的一侧延伸到电极的下方。
所述总线光波导I、总线光波导II和微环置于SOI结构的二氧化硅缓冲层的上方。
所述石墨烯层与二氧化硅缓冲层相互平行。
总线光波导I、总线光波导II和微环的横截面均采用脊型波导结构。
所述总线光波导I与总线光波导II的几何结构相同；所述总线光波导I、总线光波导II和微环的波导高度相同；总线光波导I和总线光波导II两者横截面的脊型光波导结构的脊宽和微环横截面的脊型光波导结构的脊宽相同。
微环与总线光波导I以及总线光波导II的耦合距离相同。
所述石墨烯层的材料由单层石墨烯材料制成。
当微环光路由器的数量大于等于2个时，各个微环光路由器串联连接。
与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
本专利技术基于SOI结构，可使用商用SOI晶元进行制作，与CMOS工艺兼容，并且器件能耗低稳定性好，便于与其他光电元件互联。
本专利技术采用插分复用型微环谐振结构，在很大程度上减少了器件尺寸面积，使得器件结构紧凑，便于集成。
通过电极对石墨烯层施加不同的偏置电压，来灵活的调制微环中的谐振波长，从而可以灵活且实时地选择和分离出具有特定波长值的光信号。
同时，本专利技术的器件设计灵活、能耗较低、使用方便，可以通过将总线光波导I相连接来进行多个基本单元级联使用来满足不同的波分复用要求；通过对不同的电极施加不同的偏置电压，可以实现不同波长光信号的选择以实现光路由功能。
附图说明
图1为本专利技术的结构示意图。
图2为本专利技术中包含石墨烯层的微环的横截面结构图。
图3为本专利技术中总线光波导I与总线光波导II的横截面结构图。
图4为本专利技术中包含石墨烯层的微环光波导横截面的基模电场模值的分布图。
图5为本专利技术中总线光波导I横截面上基模电场模值的分布图。
图6为本专利技术中石墨烯化学势与石墨烯被施加的偏置电压关系图。
图7为本专利技术中石墨烯复折射率随着其化学势变化的关系图。
图8为本专利技术中含石墨烯层的微环中1550nm波长的光场基模的有效模式折射率实部随着石墨烯化学势变化的关系图。
图9为本专利技术中含石墨烯层的微环中1550nm波长的光场基模的有效模式折射率虚部随着石墨烯化学势变化的关系图。
图10为本专利技术中石墨烯层被施加的偏置电压为1V左右时，其总线波导I的透过率与工作波长的变化关系图。
图11为本专利技术中石墨烯层被施加的偏置电压为2V左右时，其总线波导I的透过率与工作波长的变化关系图。
图12为本专利技术中发生谐振的光信号在微环中电场垂直分量的分布图。
图13为本专利技术中远离谐振波长的光信号在微环中电场垂直分量的分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本专利技术的保护范围。
结合附图，本专利技术的基于石墨烯的硅基微环光路由器，包括至少一个微环光路由器，所述微环光路由器包括两条相互平行的总线光波导I18和总线光波导II19，所述的总线光波导I18和总线光波导II19之间设置有微环5，所述微环5连接有电极13，所述微环5的整体或部分区域设置有石墨烯层，设置有石墨烯层的微环从下至上依次包括微环硅层51、下分隔层61、石墨烯层8、上分隔层62和微环硅层51和包层20，所述石墨烯层8的一侧延伸到电极13的下方。即是说，石墨烯层8经下分隔层61和上分隔层62设置在微环5的微环硅层51之间。
所述总线光波导I18、总线光波导II19和微环5置于SOI结构的二氧化硅缓冲层12的上方。其中SOI结构包括从下至上依次的硅衬底和二氧化硅中间层和硅层，即是说总线光波导I18、总线光波导II19和微环5由最上层的硅层通过刻蚀等方法加工而成，本专利技术的包层20即位于最上方的空气层。
其中，本专利技术的石墨烯层覆盖的范围由石墨烯层对微环圆形的张角7来控制，并且作为本专利技术一种优选的方式，石墨烯层设置在微环5横截面电磁场强度最大值附近。
所述石墨烯层8与二氧化硅缓冲层12相互平行。
总线光波导I18、总线光波导II19和微环5的横截面均采用脊型波导结构。
所述总线光波导I18与总线光波导II19的几何结构相同；所述总线光波导I18、总线光波导II19和微环5的波导高度相同；总线光波导I18和总线光波导II19两者横截面的脊型光波导结构的脊宽17和微环5横截面的脊型光波导结构的脊宽14相同。
微环5与总线光波导I18以及总线光波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的硅基微环光路由器，其特征在于，包括至少一个微环光路由器，所述微环光路由器包括两条相互平行的总线光波导I和总线光波导II，所述的总线光波导I和总线光波导II之间设置有微环，所述微环连接有电极，所述微环的整体或部分区域设置有石墨烯层，设置有石墨烯层的微环从下至上依次包括微环硅层、下分隔层、石墨烯层、上分隔层、微环硅层和包层，所述石墨烯层的一侧延伸到电极的下方。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的硅基微环光路由器，其特征在于，包括至少一个微环光路由器，所述微环光路由器包括两条相互平行的总线光波导I和总线光波导II，所述的总线光波导I和总线光波导II之间设置有微环，所述微环连接有电极，所述微环的整体或部分区域设置有石墨烯层，设置有石墨烯层的微环从下至上依次包括微环硅层、下分隔层、石墨烯层、上分隔层、微环硅层和包层，所述石墨烯层的一侧延伸到电极的下方。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅基微环光路由器，其特征在于，所述总线光波导I、总线光波导II和微环置于SOI结构的二氧化硅缓冲层的上方。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅基微环光路由器，其特征在于，所述石墨烯层与二氧化硅缓冲层相互平行。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅基微环光路由器，其特征在于，总线光波...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆荣国，孟鸢，田朝辉，叶胜威，刘天良，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