CN105700266B - 一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，包括：衬底，在衬底上叠放的第一微纳波导和第二微纳波导，位于第一微纳波导和第二微纳波导之间的介质层和第一单层石墨烯，以及分别与所述第一微纳波导和第二微纳波导连接并用以施加调制电压的第一电极和第二电极；所述的第一微纳波导和第二微纳波导中的至少一种为金属波导；所述的第一单层石墨烯位于其中一个金属波导和介质层之间；且其中一个电极通过所述的第一单层石墨烯与对应的金属波导连接。本发明采用波导垂直排布的结构设计，结合石墨烯和SPP的优势，使调制深度高于已有电吸收调制器，达到70％以上；且器件的结构电容较小，极大提高了器件的整体响应速度。

Description

一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器

技术领域

本发明涉及石墨烯与表面等离子激元(SPP)在微纳光电系统中的应用，特别是涉及一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器。

背景技术

光调制器作为现代光电通信系统中最重要的器件之一，能够实现对信号快速而准确的编码调制。探索高速、宽带，紧凑结构的光调制器是该领域研究的目标与方向。

石墨烯作为一种新型的二维层状材料，具有与石墨烯相互作用强、宽工作带宽和高速运行等优点，有望实现光调制器的高速，宽带和结构紧凑的要求。表面等离子激元效应可以实现对光场的强约束性，能够实现在更小尺度上对光场的操作。

目前，基于石墨烯的电吸收调制器以及基于石墨烯与表面等离子激元结合而设计的电吸收光调制器已被广泛报道，这些调制器大都具有调制带宽宽，易于金属氧化物半导体沟道或者硅基CMOS工艺兼容等特点。但是，当前已有的相关调制器结构的能够实现的调制速率都还很慢，并且调制深度低，这些问题使得该类光调制器很难满足光电集成系统的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，这种调制器采用方形微纳波导垂直排布的设计方式，并且充分结合了石墨烯和SPP的优势；该调制器的调制深度远远高于目前已有的基于石墨烯的电吸收调制器，达到70％以上；同时，与采用薄膜波导设计方式的电吸收光学调制器相比，该光调制器上下电极之间的有效相对面积很小，使得器件的结构电容做到很小，相应地使得器件的响应速率得到了极大提高，能够达到几十GHz，甚至更高。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，包括：

衬底，在衬底上叠放的第一微纳波导和第二微纳波导，位于第一微纳波导和第二微纳波导之间的介质层和第一单层石墨烯，以及分别与所述第一微纳波导和第二微纳波导连接并用以施加调制电压的第一电极和第二电极；

所述的第一微纳波导和第二微纳波导中的至少一种为金属波导；

所述的第一单层石墨烯位于其中一个金属波导和介质层之间；

且其中一个电极通过所述的第一单层石墨烯与对应的金属波导连接。

本发明的电吸收光调制器中波导采用垂直放置的方式，极大地减小了上下有效电极的相对面积，从而使得器件的结构电容可以做的很小，系统的响应频率得到很大提升。

其中，所述的衬底为上表面具有氧化硅层的硅基衬底。

作为优选的，所述的第一微纳波导为半导体波导或金属波导，所述第二微纳波导为金属波导。

本发明中，上下两个微纳波导组成的垂直结构为金属波导与金属波导或金属波导和半导体波导。

半导体波导与金属波导对表面等离子体波进行约束限制，防止等离子体波衬底引导泄漏。同时，位于介质层界面处的金属波导和半导体波导充当反射镜，反射回泄漏的SPP波，极大地提升了石墨烯与SPP波的相互作用强度，提升了调制深度。

其中，半导体波导可以采用硒化镉、硫化镉、碲化镉、氧化钛、氧化锌、氮化镓和磷化铟等材料制备，这类材料可以通过气相沉积(CVD)或者其他合成方法生长出相应尺寸的带状波导结构，之后通过微纳操作，将半导体波导转移至目标位置，或者直接利用刻蚀的方式，在硅片上制备相应的氧化硅、氮化镓等微纳波导，半导体波导通过相应一侧的石墨烯与电极相连，被施加调制电压。

进一步的，若第一微纳波导采用金属波导替代，此时在上下界面处均可形成强的局域场。金属波导可以采用金、银、铝、铜、锌和镍等材料，之后通过化学合成等方式制备出相应尺寸的金属波导。金属波导通过石墨烯与电极相连，被施加相应的电压。光电集成系统要求相关器件的尺寸在微纳量级，为此，我们对采用上下两条银波导垂直放置，介质层采用30nm氧化铝的结构进行了仿真实验，实验中银波导厚100nm，在对银波导的宽度进行扫描分析中发现，该种条件下的最优银波导宽度在50nm到300nm之间。

本发明中，可以只在介质层与上下一侧的金属波导之间放置单层石墨烯，同时该侧的电极仍通过光刻技术与石墨烯相连，另一侧的电极则直接与半导体波导或者金属波导相连。

另外，所述介质层的下界面处设有第二单层石墨烯，第二单层石墨烯与所述的第一电极相连，第一单层石墨烯与所述的第二电极相连。

本发明可在介质层的上下界面处均放置单层石墨烯，上下单层石墨烯分别与上下两个电极相连，金属波导和半导体波导分别通过上下单层石墨烯与电极相连，并被施加电场；此外，可以使上下波导之间通过侧向位移，减小上下电极的有效相对面积。

进一步的，上下单层石墨烯均利用离子束刻蚀等技术，去除半导体波导和金属波导各自左右两侧中一侧的石墨烯，也就是说，保留的第二单层石墨烯和第一单层石墨烯分别位于所述介质层的两侧。要求上下电极通过单层石墨烯，分别与介质层上下侧波导相连。上下电极通过光刻引出之后，可以通过类似点银浆的方式与漆包线等导线相连，被施加电场。

本发明中，单层石墨烯可以采用CVD或者机械剥离的方式制备，并需要将单层石墨烯放置在介质层与波导的界面处。如果上下界面处均放置单层石墨烯，上下两层石墨烯需要通过离子束刻蚀的方法，在保证分别覆盖相应波导的情况下，只保留一侧，另一侧去除。保留下来的上下单层石墨烯一方面充当调制吸收层，另一方面充当电极的一部分。

本发明中，所述的介质层可以通过热蒸发、磁控溅射和原子层沉积等技术制备，针对这些镀膜工艺，可以选择的介质层材料主要包括氧化铝、氧化硅、氧化钛、二氧化锆和五氧化三钛等材料。制备的介质层要能够充分隔绝上下有效电极，并且折射率要尽量大，且不易被击穿。当采用金属半导体混合结构时，根据光电集成系统对器件结构尺寸的要求，设置银波导宽150nm，厚100nm,半导体波导采用宽500nm,厚150nm的硒化镉时，对氧化铝的厚度进行了扫描仿真实验，结果表明对应的介质层的厚度可以选用10nm到100nm的范围。如果采用上下金属波导结构，在银波导设定为150nm宽，100nm厚之后，介质层的厚度可以选在10到300nm之间。介质层的可选择厚度随着上下波导的宽度和厚度变化，有所差异。

本发明充分利用了SPP的强局域特性，将单层石墨烯置于SPP模场之中，提高石墨烯对光场的调制效果。金属波导和半导体波导在与介质层的界面处充当反射镜，将泄漏的SPP波反射回，通过这种工作模式，光场被石墨烯更加有效的调制，从而使得整个调制器的调制深度得到很大的提高。同时由于采用了上下电极错开的结构设计，上下电极的有效相对面积很小，可以达到几个平方微米，这就使得器件的整体电容很小。

附图说明

图1a为实施例1中的调制器结构的立体图；

图1b为实施例1中的调制器结构的侧视图；

图2a为实施例2中的调制器结构的立体图；

图2b为实施例2中的调制器结构的侧视图；

图3a为实施例3中的调制器结构的立体图；

图3b为实施例3中的调制器结构的侧视图；

图4为实施例1的调制深度FoM和TE％随氧化铝介质层厚度的变化曲线。

图5为实施例3的调制深度FoM和TE％随氧化铝介质层厚度的变化曲线。

图6为器件的电场仿真效果图。

具体实施方式

一种SPP电吸收光调制器，自下而上依次包括：硅基衬底、半导体方形微纳波导或金属波导、单层石墨烯、介质膜层、单层石墨烯、金属方形微纳波导及用于施加调制电压的上下电极。其制备过程如下：将具有一定氧化层厚度的硅片进行切割清洗，之后在氮气环境下吹干，接着通过微纳操作，将通过CVD或其他方式制备的半导体波导或金属波导转移到衬底之上，之后转移一块单层石墨烯将其覆盖，并利用离子束刻蚀技术将一侧多余的单层石墨烯刻蚀掉，然后通过光刻制备与下层石墨烯相连的下电极。接着，利用热蒸发或者磁控溅射等手段，镀一层介质膜，膜厚可以控制在20nm-150nm之间。在介质层的上侧也转移一块单层石墨烯，同样通过光刻制备上电极。最后，在上层石墨烯上放置或者制备所需金属波导，并利用离子束刻蚀手段将多余的单层石墨烯刻蚀掉。上下波导的位置可以通过在衬底上制作标记进行确定。

实施例1：

如图1a和图1b所示结构的电吸收光调制器，包括：硅基衬底1、氧化硅层2、半导体纳米带波导3、单层石墨烯4、下电极5、氧化铝介质层6、单层石墨烯7、电极8和金属银波导9。其中，半导体纳米带波导3被放置在具有一定厚度的氧化硅层2的硅基衬底1上。将一单层石墨烯4转移到半导体纳米带波导3上，通过离子束刻蚀技术，去除一侧的石墨烯。之后在石墨烯层上，光刻制备下电极5。接着，利用热蒸发或者磁控溅射等技术，镀一层10nm到100nm厚度的氧化铝介质层6，所镀介质层不能将下电极完全覆盖。镀膜完成后，在介质层上转移另一单层石墨烯7，并通过在衬底上做标记的方式，将金属银波导9放置在单层石墨烯7上相应的位置，同样利用离子束刻蚀的方法，去除银波导多余一侧的单层石墨烯，并在保留的一侧，光刻制备电极8。

实施例2：

如图2a和图2b所示结构的电吸收光调制器，包括：硅基衬底21、氧化硅层22、半导体纳米带波导23、下电极24、氧化铝介质层25、单层石墨烯26、电极27和金属银波导28。

与实施例1相比，为了减少制作工艺的要求，不再放置下层石墨烯，下电极24通过光刻的方式，直接与下侧半导体纳米带波导23相连。同时，该种结构可不再采用离子束刻蚀技术对上侧单层石墨烯26进行刻蚀处理。

实施例3：

如图3a和图3b所示结构的电吸收光调制器，包括：硅基衬底31、氧化硅层32、金属波导33、单层石墨烯34、下电极35、氧化铝介质层36、单层石墨烯37、电极38和金属波导39。

与实施例1相比，上下波导都采用金属。这种结构的设计是可以在上下界面处均产生SPP波，同时金属在界面处充当反射镜，反射效果更好，但是金属的非调制吸收损耗会更大。金属波导33被放置在有一定氧化层32厚度的硅基衬底31之上，单层石墨烯34通过转移被放置在金属波导之上，通过离子束刻蚀等手段，去除多余一侧的石墨烯。之后采用镀膜工艺制备厚度在10nm到300nm之间的氧化铝层36。接着转移一块单层石墨烯37，并在其上放置金属波导39。上侧的单层石墨烯在保证可以将上侧金属波导下表面完全覆盖的情况下，将多余一侧部分刻蚀掉。

以实施例1中的器件为例，图4是器件的调制FoM和TE％随氧化铝介质层厚度的变化曲线。仿真对应的波长为700nm，半导体波导采用CdSe纳米带，金属波导为银波导。可以看出尽管光场中的平行分量在总光场中所占比例TE％下降到很低水平，该种结构的调制深度FoM仍可以达到很高水平。

以实施例3的器件为例，图5是该器件所对应的调制FOM和TE％随氧化铝介质层厚度的变化曲线，仿真对应的波长为700nm，金属波导均采用银波导。可以发现，该种情形下，器件的调制深度FoM可以维持在一个相对较高的水平，在65％左右，同时光场中的平行分量在总光场中所占比例TE％保持在一个相对稳定的水平，下降十分缓慢。

以实施例1-3为例，图6是器件所对应的电学仿真结果。在设定上下波导的宽150nm，高100nm；介质层厚度为60nm之后，对该结构进行了电学仿真，仿真的结果显示，此时的电容值为1.4x10^-14F。同时有关的实验表明，此时整个系统的电阻值在600欧左右，对应的相应频率可以达到50GHz。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，包括：

衬底，在衬底上叠放的第一微纳波导和第二微纳波导，位于第一微纳波导和第二微纳波导之间的介质层和第一单层石墨烯，以及分别与所述第一微纳波导和第二微纳波导连接并用以施加调制电压的第一电极和第二电极；

所述的第一微纳波导和第二微纳波导中的至少一种为金属波导；

所述的第一单层石墨烯位于其中一个金属波导和介质层之间；

且其中一个电极通过所述的第一单层石墨烯与对应的金属波导连接。

2.如权利要求1所述的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，所述的衬底为上表面具有氧化硅层的硅基衬底。

3.如权利要求1所述的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，所述的第一微纳波导为半导体波导或金属波导，所述第二微纳波导为金属波导。

4.如权利要求1或3所述的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，所述金属波导的在50nm到300nm之间。

5.如权利要求1所述的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，所述介质层的下界面处设有第二单层石墨烯，第二单层石墨烯与所述的第一电极相连，第一单层石墨烯与所述的第二电极相连。

6.如权利要求5所述的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，所述的第二单层石墨烯和第一单层石墨烯分别位于所述介质层的两侧。

7.如权利要求1所述的表面等离子激元电吸收光调制器，其特征在于，所述的介质层的材料为氧化铝或氧化硅。