一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法，在硅基纳米线、绝缘体硅和绝缘层上制作一层隔离层，并在隔离层上覆盖石墨烯层。通过石墨烯的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应，使得在不需要高泵浦功率的泵浦光情况下也能产生较好的拉曼放大效应。利用石墨烯对光的折射率大，对光吸收强的特性能将光聚集在硅基纳米线内部。此外，相比于在硅上集成其它模块，石墨烯易于与基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光互联网络上。

A kind of Raman amplifier based on graphene and silicon nanowires and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法
本专利技术涉及半导体制造
，尤其是涉及一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法。
技术介绍
近年来随着云计算、虚拟化、高清视频、电子商务、社交网络以及飞速发展的高速无线网络等各种新兴业务的不断涌现，全球互联网总流量不断增加，将推动下一代超级计算机和云数据中心朝着大带宽、小尺寸、高性能的片上光互联网络发展。在光互联得到大规模应用之前，短距离通信一般使用铜缆进行电互联。然而，电互联传输带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大等缺点，已经不满足日益增长的网络带宽需求。与电互联相比，基于多模光纤的光互联具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等有点，而开始广泛地应用于机柜间、框架间和板间的高速互联。值得一提的是，纳米级光互联将作为一种新兴的互联方式，具有极大带宽、极小功耗，将在未来的高性能计算服务器的芯片对芯片甚至芯片内通信中发挥主要作用。纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件，对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学技术至关重要。如能将这些纳米级器件做在硅基衬底上，将引领片上光互连的革命性发展，因而成为近几十年来国际学术界和科技产业界共同关注的焦点之一。现有硅基光放大器的主要问题可以概括为：(1)基于硅波导的受激拉曼光放大器。当泵浦光和信号光同时存在于斯托克斯跃迁处的频率谐振，则信号光触发另一个拉曼斯托克斯光子的产生，并且实现SRS并且放大成为可能。但该结构一般需要在波导两个端面镀膜，不利于与其他器件集成，还需要高泵浦功率激发，将伴随双光子吸收(TPA)和自由载流子吸收(FCA)带来的损耗。(2)掺杂硅基光放大器。铒(Er)是一种有效的掺杂元素，其发光波长约为1.55mm，而其他稀土掺杂元素可以根据需要用于其他波长。硅在室温下的发射和放大效率很低，但在富硅氧化物(SRO)中形成的硅纳米晶体(Si-NCS)是实现光致发光和电致发光的有效材料。基于掺杂硅纳米晶体的光放大器具有较高的发光和放大效率，但仍需要高泵浦功率，使其无法用于片上光互联。(3)混合III-V族光放大器很容易通过电泵作用获得高光放大效率，但主要挑战是在硅衬底上生长高质量III-V族材料，由于Si和III-V族材料之间存在较大的晶格失配，会导致界面缺陷以及较大的功率损耗。同时，将高质量的III-V族材料直接生长到硅片上也需要较高温度，会对硅片上的其他集成模块产生不利影响。在实际应用过程中，专利技术人发现现有的拉曼放大器需要高泵浦功率的泵浦光才能产生较好的拉曼放大效应，拉曼放大器的拉曼放大效应较小，且不利于与其它器件集成。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法，用以解决现有技术中拉曼放大器需要高泵浦功率的泵浦光才能产生较好的拉曼放大效应，拉曼放大器的拉曼放大效应较小，且不利于与其它器件集成的问题。针对以上技术问题，本专利技术的实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，包括衬底、绝缘层、硅基纳米线、绝缘体硅、第一硅基耦合器、第二硅基耦合器、隔离层和石墨烯层；所述绝缘层设置在所述衬底上，一维的所述硅基纳米线设置在所述绝缘层上，且在所述硅基纳米线的两端均设置有绝缘体硅，所述第一硅基耦合器设置在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内，所述第二硅基耦合器设置在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内；所述隔离层覆盖在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上，所述石墨烯层覆盖在所述隔离层上；其中，传输到所述拉曼放大器的泵浦光和信号光由所述第一硅基耦合器传入，并由所述第二硅基耦合器传出；通过石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应。可选地，还包括第一电极和第二电极；所述第一电极和所述第二电极设置在所述硅基纳米线的两侧；其中，通过调整所述第一电极和所述第二电极之间的电压调整石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用的强弱。可选地，所述第一电极设置在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上，且在所述第一电极和所述石墨烯层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上，且在所述第二电极和所述石墨烯层之间没有氧化层；所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由Al2O3形成。可选地，所述石墨烯层由单层碳原子排列形成。可选地，所述衬底由硅形成，所述绝缘层和所述隔离层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于0.5微米且小于或等于1微米，所述隔离层的厚度为5纳米。本实施例提供了一种如以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器的制备方法，包括：在所述衬底上形成所述绝缘层，在所述绝缘层上形成所述硅基纳米线，在所述硅基纳米线的两端分别制作绝缘体硅，并在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内制作所述第一硅基耦合器，在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内制作所述第二硅基耦合器；在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上形成所述隔离层；将预先通过化学气相沉积法形成的所述石墨烯层机械转移到所述隔离层上。可选地，还包括：在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上形成氧化层，在所述氧化层上通过电子束刻蚀技术形成第一电极；在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上通过电子束刻蚀技术形成第二电极。本实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大系统，包括泵浦源、信号光源、光调制器和如以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器；所述泵浦源向所述光调制器输入泵浦光，所述信号光源向所述光调制器输入信号光，由所述光调制器输出偏振方向一致的泵浦光和信号光；由所述光调制器输出的泵浦光和信号光通过所述拉曼放大器的第一硅基耦合器传入所述拉曼放大器，并从所述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出。可选地，还包括光电探测器；所述光电探测器接收由所述拉曼放大器的第二硅基耦合器传出的泵浦光和信号光，以检测传入所述拉曼放大器的信号光是否经过拉曼放大。本实施例提供了一种CMOS光电子器件，包括以上任一项所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器。本专利技术实施例提供了一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器及其制备方法，在硅基纳米线、绝缘体硅和绝缘层上制作一层隔离层，并在隔离层上覆盖石墨烯层。通过石墨烯的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应，使得在不需要高泵浦功率的泵浦光情况下也能产生较好的拉曼放大效应。利用石墨烯对光的折射率大，对光吸收强的特性将光聚集在硅基纳米线内部，。此外，相比于在硅上集成其它模块，石墨烯易于与基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光互联网络上。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，包括衬底、绝缘层、硅基纳米线、绝缘体硅、第一硅基耦合器、第二硅基耦合器、隔离层和石墨烯层；/n所述绝缘层设置在所述衬底上，一维的所述硅基纳米线设置在所述绝缘层上，且在所述硅基纳米线的两端均设置有绝缘体硅，所述第一硅基耦合器设置在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内，所述第二硅基耦合器设置在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内；/n所述隔离层覆盖在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上，所述石墨烯层覆盖在所述隔离层上；/n其中，传输到所述拉曼放大器的泵浦光和信号光由所述第一硅基耦合器传入，并由所述第二硅基耦合器传出；通过石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，包括衬底、绝缘层、硅基纳米线、绝缘体硅、第一硅基耦合器、第二硅基耦合器、隔离层和石墨烯层；
所述绝缘层设置在所述衬底上，一维的所述硅基纳米线设置在所述绝缘层上，且在所述硅基纳米线的两端均设置有绝缘体硅，所述第一硅基耦合器设置在所述硅基纳米线一端的绝缘体硅内，所述第二硅基耦合器设置在所述硅基纳米线另一端的绝缘体硅内；
所述隔离层覆盖在所述硅基纳米线、绝缘体硅和露出的绝缘层上，所述石墨烯层覆盖在所述隔离层上；
其中，传输到所述拉曼放大器的泵浦光和信号光由所述第一硅基耦合器传入，并由所述第二硅基耦合器传出；通过石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式的耦合作用增强硅基纳米线对传输的信号光的拉曼放大效应。


2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，还包括第一电极和第二电极；
所述第一电极和所述第二电极设置在所述硅基纳米线的两侧；
其中，通过调整所述第一电极和所述第二电极之间的电压调整石墨烯层的表面等离子体激元和硅基纳米线的光波导模式耦合作用的强弱。


3.根据权利要求2所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，所述第一电极设置在所述硅基纳米线一侧的石墨烯层上，且在所述第一电极和所述石墨烯层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述硅基纳米线另一侧的石墨烯层上，且在所述第二电极和所述石墨烯层之间没有氧化层；
所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由Al2O3形成。


4.根据权利要求1所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，所述石墨烯层由单层碳原子排列形成。


5.根据权利要求1所述的基于石墨烯和硅基纳米线的拉曼放大器，其特征在于，所述衬底由硅形成，所述绝缘层和所述隔离层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤洁，罗玉昆，江天，郑鑫，殷科，张江华，杨杰，王振宇，于亚运，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11