石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法，涉及光学调制器领域。该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导包括第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、第一高折射率材料层；光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，一端与光输入端连接，另一端与光输出端连接；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至衬底的边缘，镶嵌有第一电极；第二石墨烯层相对的一端延伸至衬底另一侧的边缘，镶嵌有第二电极。本发明专利技术制备的光学调制器调制效率高，响应速率高，工作带宽大，插入损耗小，器件尺寸小。

Lithium niobate multilayered hybrid integrated optical modulator and its preparation method

The present invention discloses a graphite lithium niobate multilayer structure hybrid integrated optical modulator and a preparation method, which relate to the field of optical modulator. The optical modulator comprises a double-layer graphene lithium niobate waveguide, double-layer graphene lithium niobate optical waveguide includes a first graphene layer, lithium niobate planar waveguide, second graphene layers, the first layer of high refractive index material; optical input and output light distribution along the first direction parallel to the substrate, having opposite ends of a first direction. With the end of the light input end connected with the other end of the light output end is connected in parallel to the substrate; and a second direction perpendicular to the first direction, the first graphene layer end extends to the edge of the substrate, with the first electrode; the other side of the second graphene layer opposite end extends to the edge of the substrate, with second electrode. The optical modulator prepared by the invention has high modulation efficiency, high response rate, large working bandwidth, small insertion loss and small device size.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法
本专利技术涉及光学调制器领域，具体是涉及一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法。
技术介绍
在光电子集成电路中，光学调制器是最重要的集成器件之一，它将电信号转换成高码率的光数据。光学调制器是利用材料具有热光效应、电光效应、磁光效应、电吸收效应，来调制光的相位、振幅、偏振。通常设计的器件类型有马赫—曾德尔干涉仪、环谐振器、锗基电吸收调制器，但都存在很多缺点，如：调制效率不高、响应速率慢、操作带宽小、温度敏感、体积大等。铌酸锂材料具有很高的电光系数，基于这一特性，可用于调制光的某些特性，例如相位。传统铌酸锂调制器已经成功应用于相干光通信骨干网络系统。然而，这些调制器尺寸都很大，“厘米”级别，很难用于光电子集成电路。铌酸锂薄膜片上集成光调制器是目前研究的一个热点，鉴于其在传统调制器领域的成功，是目前潜在的解决上述调制器存在问题的技术方案。相比于传统铌酸锂调制器，该调制器具有调制效率高、体积小、能耗低，这是得益于片上铌酸锂具有较大的折射率差，使得光场限制作用强，继而电极可以距离铌酸锂更近，增强了电场和铌酸锂内光场的相互作用。由此可见：电极的设计对于片上集成铌酸锂调制器有着至关重要的影响。近些年来，人们发现石墨烯的电导率具有加电可调性，即可以通过加载驱动电压，继而改变石墨烯和光场的相互作用，这促使了石墨烯应用到光电子领域。可以给与石墨烯适当的电压，使得其对光的吸收作用很弱，但同时可以传导电。由于石墨烯非常薄，尺寸非常小，所以很适合作为传导电的媒介。目前铌酸锂调制器里电极距离铌酸锂都比较远，这是因为距离太近会引起金属吸收损耗。综上，利用石墨烯作为传导电的媒介，不仅会使得石墨烯建立的电场距离铌酸锂非常近，同时石墨烯在适当的偏压下又不会引起金属吸收损耗。如何利用石墨烯制备光学调制器成为本领域亟待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述
技术介绍
的不足，提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法，制备的光学调制器调制效率高，响应速率高，工作带宽大，插入损耗小，器件尺寸小。本专利技术提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，该光学调制器制作在衬底上，该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端，所述双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层；光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极；第二石墨烯层相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二电极。在上述技术方案的基础上，所述双层石墨烯铌酸锂光波导还包括折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层，第二高折射率材料层位于衬底与第一石墨烯层之间。在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层、第二高折射率材料层的材料为砷化镓、锗、硅。在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层的厚度为100～1000nm，第二高折射率材料层的厚度为20～1000nm；第一高折射率材料层在第二方向上的宽度为150～800nm，第二高折射率材料层在第二方向上的宽度为300～3000nm。在上述技术方案的基础上，所述铌酸锂平板波导的厚度为20～600nm，宽度为300～3000nm，铌酸锂平板波导的宽度和第二高折射率材料层在第二方向上的宽度相同或不同。在上述技术方案的基础上，所述第一石墨烯层、第二石墨烯层中的石墨烯为单层或者多层石墨烯；所述第一石墨烯层、第二石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm，第一石墨烯层、第二石墨烯层的厚度相同或者不相同，第一石墨烯层、第二石墨烯层在第二方向上的宽度为800～3000nm。在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层与第一电极之间的距离为500～3000nm，第一高折射率材料层与第二电极之间的距离为500～3000nm。在上述技术方案的基础上，所述第一电极、第二电极的材质为金、银、铝、钛、铬、镍或铜。本专利技术还提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下步骤：光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；转移石墨烯薄膜至衬底上，形成第一石墨烯层；转移铌酸锂薄膜至第一石墨烯层上，形成铌酸锂平板波导；转移石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层；沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备第一高折射率材料层；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一电极；第二石墨烯层与第一电极相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二电极；第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、第一高折射率材料层共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。本专利技术还提供另一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下步骤：光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在衬底上沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层；转移石墨烯薄膜至第二高折射率材料层上，形成第一石墨烯层；转移铌酸锂薄膜至第一石墨烯层上，形成铌酸锂平板波导；转移石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层；沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备第一高折射率材料层；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一电极；第二石墨烯层与第一电极相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二电极；第二高折射率材料层、第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、第一高折射率材料层共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：(1)本专利技术中的光学调制器制作在衬底上，该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端，所述双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层；光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极；第二石墨烯层相对的一端延伸至与衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，该光学调制器制作在衬底(10)上，其特征在于：该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极(301)、第二电极(302)、光输入端和光输出端，所述双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层(201)、铌酸锂平板波导(202)、第二石墨烯层(203)、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层(204)；光输入端和光输出端沿平行于衬底(10)的第一方向(I)分布，第一方向(I)上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底(10)且垂直于第一方向(I)的第二方向(II)上，第一石墨烯层(201)的一端延伸至与衬底(10)的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极(301)；第二石墨烯层(203)相对的一端延伸至与衬底(10)另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二电极(302)。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，该光学调制器制作在衬底(10)上，其特征在于：该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极(301)、第二电极(302)、光输入端和光输出端，所述双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层(201)、铌酸锂平板波导(202)、第二石墨烯层(203)、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层(204)；光输入端和光输出端沿平行于衬底(10)的第一方向(I)分布，第一方向(I)上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底(10)且垂直于第一方向(I)的第二方向(II)上，第一石墨烯层(201)的一端延伸至与衬底(10)的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极(301)；第二石墨烯层(203)相对的一端延伸至与衬底(10)另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二电极(302)。2.如权利要求1所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述双层石墨烯铌酸锂光波导还包括折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层(205)，第二高折射率材料层(205)位于衬底(10)与第一石墨烯层(201)之间。3.如权利要求2所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述第一高折射率材料层(204)、第二高折射率材料层(205)的材料为砷化镓、锗、硅。4.如权利要求2所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述第一高折射率材料层(204)的厚度为100～1000nm，第二高折射率材料层(205)的厚度为20～1000nm；第一高折射率材料层(204)在第二方向(II)上的宽度为150～800nm，第二高折射率材料层(205)在第二方向(II)上的宽度为300～3000nm。5.如权利要求2所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述铌酸锂平板波导(202)的厚度为20～600nm，宽度为300～3000nm，铌酸锂平板波导(202)的宽度和第二高折射率材料层(205)在第二方向(II)上的宽度相同或不同。6.如权利要求1所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述第一石墨烯层(201)、第二石墨烯层(203)中的石墨烯为单层或者多层石墨烯；所述第一石墨烯层(201)、第二石墨烯层(203)的厚度为0.35～3.5nm，第一石墨烯层(201)、第二石墨烯层(203)的厚度相同或者不相同，第一石墨烯层(201)、第二石墨烯层(203)在第二方向(II)上的宽度为800～3000nm。7.如权利要求1所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述第一高折射率材料层(204)与第一电极(301)之间的距离为500～3000nm，第一高折射率材料层(204)与第二电极(302)之间的距离为500～3000nm。8.如权利要求1所述的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，其特征在于：所述第一电极(301)、第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓，肖希，张宇光，陈代高，王磊，冯朋，李淼峰，余少华，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42