一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器制造技术

本发明专利技术公开了一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在衬底上，包括：形成于衬底上的下反射镜；形成于下反射镜上的介质缓冲层；形成于介质缓冲层上的单层石墨烯薄膜；形成于单层石墨烯薄膜上的DBR结构的上反射镜；以及形成于单层石墨烯薄膜上且环绕于上反射镜周边的金属正电极。本发明专利技术提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，光垂直入射到器件，通过给器件施加栅偏压可以调制石墨烯中费米能级的高低，从而控制石墨烯对光的吸收与否，进而达到光调制的目的。本发明专利技术可以有很大的尺寸与光谱调制范围的设计自由度，功耗小，插入损耗低，对光信号无偏振态要求，且易于硅基集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯应用及光通信
，具体涉及一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。
技术介绍
光纤通信技术是现代通信的主要形式，有着高速、低损、宽频、可靠性高等特性。光调制器在光纤通信中对光信号的调制起着至关重要的作用，其作用是将比特信号加载到光波上，通过连续的开关作用产生受调制的光脉冲。光调制器是通过电压或电场的变化来调控输出光的吸收率、折射率、相位或振幅的器件，光调制器依据各种不同形式的电光、声光、磁光效应、量子阱Stark效应和载流子色散效应等，调控光发射机发出的光信号的振幅和状态，再进入光纤进行传播。按照调制机理光调制器可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和电吸收调制。在未来的光通信中集成化、高速化、小型化的光调制器是必不可少的。目前，传统的硅基电吸收调制器由于较弱的电光特性及尺寸较大，锗与其他化合物半导体调制器难于硅基集成，导致传统的光调制器调制光谱范围通常比较窄。石墨烯是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，由于其零带隙可以吸收很宽频率范围的光，加之其高迁移率等特性，在光调制器上可以充分发挥其优势。单层石墨厚度只有约0.335nm,对光的吸收有限,采用法布里-拍罗谐振腔结构可以增加石墨烯的光吸收效率，结合两者可以得到低插入损耗，高消光比的硅基集成调制器。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题为了克服传统电光调制器体积大、调制带宽窄、插入损耗大等缺陷，本专利技术提供了一种石墨烯与谐振腔集成的增强型电吸收调制器。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在衬底上，包括:形成于衬底I上的下反射镜2 ;形成于下反射镜2上的介质缓冲层3 ;形成于介质缓冲层3上的单层石墨烯薄膜4 ;形成于单层石墨烯薄膜4上的DBR结构的上反射镜6 ；以及形成于单层石墨烯薄膜4上且环绕于上反射镜6周边的金属正电极5。上述方案中，所述下反射镜2和所述上反射镜6构成法布里-珀罗谐振腔，单层石墨烯薄膜4集成于该法布里-珀罗谐振腔内。所述下反射镜2在作为该法布里-珀罗谐振腔下反射镜的同时，也作为该电吸收调制器栅电极的负端；所述金属正电极5采用圆环形的Ti/Au电极，位于单层石墨烯薄膜4的上方，作为该电吸收调制器栅电极的正端。所述金属正电极5采用的材料为金属Pd、Pt、T1、Cu或Al。上述方案中，所述衬底I采用硅衬底或GaAs衬底，所述下反射镜2采用金属Ag，或者采用两种折射率不同的半导体材料。所述下反射镜2采用的两种折射率不同的半导体材料由AlxGahAs材料体系交替生长构成。在所述下反射镜2采用金属Ag时，为了增加金属Ag与衬底I接触的牢固性，在金属Ag的下方还设有厚度为15nm的金属钛7作为粘附层；为了防止金属Ag的氧化,在金属Ag的上方还设有厚度为15nm的Si3N4层8。在下反射镜2采用AlxGapxAs材料体系作为下反射镜时，衬底I选择为GaAs衬底。上述方案中，所述介质缓冲层3采用六方氮化硼(h-BN)、Al2O3或Ta2O3，所述介质缓冲层3以电场的方式调制单层石墨烯薄膜4中石墨烯对光的吸收，形成垂直入射的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。上述方案中，所述上反射镜6采用交替生长的SiO2和Si3N4薄膜，数量为7-10对，形成分布布拉格反射镜的绝缘介质DBR结构。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果:1、本专利技术提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，相比于传统铌酸锂材料的光调制器，可以达到更小的尺寸，由于石墨烯从可见光到红外光的宽谱光吸收，可以使该调制器的光谱设计自由度大大提高；相比于波导结构等调制器，该垂直入射调制器大大减小了插入损耗，且器件制作工艺易于娃基集成。2、本专利技术提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，拥有很大的尺寸设计范围以及很宽频段的光谱设计范围，相比于波导耦合等结构的调制器，拥有更低插入损耗。3、本专利技术提供的这种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，光垂直入射到器件，通过给器件施加栅偏压可以调制石墨烯中费米能级的高低，从而控制石墨烯对光的吸收与否，进而达到光调制的目的。本专利技术可以有很大的尺寸与光谱调制范围的设计自由度，功耗小，插入损耗低，对光信号无偏振态要求，且易于娃基集成。附图说明图1是依照本专利技术实施例的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的外延片结构；图2是依照本专利技术实施例的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的三维结构示意图；图3是依照本专利技术实施例的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的剖面示意图；图4是依照本专利技术实施例的制备谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器的方法流程图。图3中附图标记:1为硅衬底，2为下反射镜，3为介质缓冲层，4为单层石墨烯薄膜，5为金属正电极,6为上反射镜,7为金属银下方的Ti粘附层,8为金属银上方的Si3N4层。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。示意图所述结构只是为了使本方案更加清晰给出的一种示例，本专利技术所涉及器件并不局限于下图所示结构，在图中，为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，作为示意图不应该被认为严格反应了几何尺寸以及各层之间的比例关系。如图1、2和3所示，本专利技术提供的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器制作在衬底上，该电吸收调制器包括:形成于衬底I上的下反射镜2 ;形成于下反射镜2上的介质缓冲层3 ;形成于介质缓冲层3上的单层石墨烯薄膜4 ;形成于单层石墨烯薄膜4上的DBR结构的上反射镜6 ;以及形成于单层石墨烯薄膜4上且环绕于上反射镜6周边的金属正电极5。其中，下反射镜2和上反射镜6构成法布里-珀罗谐振腔，单层石墨烯薄膜4集成于该法布里-珀罗谐振腔内。下反射镜2在作为该法布里-珀罗谐振腔下反射镜的同时，也作为该电吸收调制器栅电极的负端；金属正电极5采用圆环形的Ti/Au电极，位于单层石墨烯薄膜4的上方，作为该电吸收调制器栅电极的正端。衬底I可以采用硅衬底或GaAs衬底，下反射镜2可以采用金属Ag，也可以由两种折射率不同的半导体材料，如AlxGahAs材料体系交替生长构成。在下反射镜2采用金属Ag时,为了增加金属Ag与衬底I接触的牢固性，在金属Ag的下方还设有厚度为15nm的金属钛7作为粘附层；为了防止金属Ag的氧化,在金属Ag的上方还设有厚度为15nm的Si3N4层8。在下反射镜2采用AlxGahAs材料体系作为下反射镜时，衬底I选择为GaAs衬底。AlxGa1^xAs材料体系所满足的条件为:所选择材料的禁带宽度要足够宽，满足Egmin = 1.24/入，使得所选材料对目标波长的光不吸收。图2中的金属Ag在作为下反射镜的同时，也作为器件栅电极的负极。介质缓冲层3可以采用六方氮化硼(h-BN)、Al2O3或Ta2O3,介质缓冲层3以电场的方式调制单层石墨烯薄膜4中石墨烯对光的吸收，形成垂直入射的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器。金属正电极5采用的材料不是限制性的，例如，其可以为常规的Pd、Pt、T1、Cu或者Al等金属。上反射镜6采用交替生长的SiO2和Si3N4薄膜，数量为7-10对，形成分布布拉格反射镜的绝缘介 质DBR结构。SiO2和Si3N4交替生长组成的分布布拉格反射镜构成谐振腔的上反射镜，对于每层S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在衬底上，其特征在于，包括：形成于衬底(1)上的下反射镜(2)；形成于下反射镜(2)上的介质缓冲层(3)；形成于介质缓冲层(3)上的单层石墨烯薄膜(4)；形成于单层石墨烯薄膜(4)上的DBR结构的上反射镜(6)；以及形成于单层石墨烯薄膜(4)上且环绕于上反射镜(6)周边的金属正电极(5)。

【技术特征摘要】
1.一种谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，该电吸收调制器制作在衬底上，其特征在于，包括: 形成于衬底(I)上的下反射镜(2); 形成于下反射镜(2)上的介质缓冲层(3)； 形成于介质缓冲层(3)上的单层石墨烯薄膜(4)； 形成于单层石墨烯薄膜(4)上的DBR结构的上反射镜(6);以及 形成于单层石墨烯薄膜(4)上且环绕于上反射镜(6)周边的金属正电极(5)。2.根据权利要求1所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述下反射镜(2)和所述上反射镜(6)构成法布里-珀罗谐振腔，单层石墨烯薄膜(4)集成于该法布里-珀罗谐振腔内。3.根据权利要求2所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述下反射镜(2)在作为该法布里-珀罗谐振腔下反射镜的同时，也作为该电吸收调制器栅电极的负端；所述金属正电极(5)采用圆环形的Ti/Au电极，位于单层石墨烯薄膜⑷的上方，作为该电吸收调制器栅电极的正端。4.根据权利要求3所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述金属正电极(5)采用的材料为金属Pd、Pt、T1、Cu或Al。5.根据权利要求1所述的谐振腔增强型石墨烯电吸收调制器，其特征在于，所述衬底(I)采用硅衬底或GaAs衬底，所述下反射镜(2)采用金属Ag...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹伟红，韩勤，杨晓红，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：