阅读说明：本技术 片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体及制备方法 (On-chip integrated graphene silicon dioxide optical waveguide saturable absorber and preparation method thereof ) 是由 胡晓 肖希 张宇光 陈代高 李淼峰 王磊 冯朋 余少华 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体及制备方法,其包括衬底、二氧化硅光波导和石墨烯薄膜,衬底长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向,所述衬底上表面开设有收容槽,所述收容槽沿X方向延伸至衬底两端；二氧化硅光波导位于所述收容槽内且底部与所述收容槽槽底不接触,所述二氧化硅光波导通过悬臂梁连接于所述收容槽槽侧壁上,所述二氧化硅光波导两端分别用于与输入光器件和输出光器件耦合；石墨烯薄膜覆盖于所述二氧化硅光波导上,且沿Y方向,其两侧均至少部分覆盖所述衬底上表面。本发明不仅能够增强石墨烯薄膜与光波导传输模式的相互作用力,而且还能够提高饱和吸收消光比。(The invention discloses an on-chip integrated graphene silicon dioxide optical waveguide saturable absorber and a preparation method thereof, wherein the on-chip integrated graphene silicon dioxide optical waveguide saturable absorber comprises a substrate, a silicon dioxide optical waveguide and a graphene film, the length, width and height directions of the substrate are respectively defined as X, Y, Z directions, the upper surface of the substrate is provided with accommodating grooves, and the accommodating grooves extend to two ends of the substrate along the X direction; the silica optical waveguide is positioned in the containing groove, the bottom of the silica optical waveguide is not contacted with the bottom of the containing groove, the silica optical waveguide is connected to the side wall of the containing groove through a cantilever beam, and two ends of the silica optical waveguide are respectively used for being coupled with an input optical device and an output optical device; the graphene film covers the silicon dioxide optical waveguide, and along the Y direction, both sides of the graphene film at least partially cover the upper surface of the substrate. The invention not only can enhance the interaction force of the graphene film and the optical waveguide transmission mode, but also can improve the saturation absorption extinction ratio.)

片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体及制备方法

技术领域

本发明涉及片上光子集成芯片技术领域，具体涉及一种片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体及制备方法。

背景技术

飞秒脉冲激光器作为重要的光电子器件，能够提供飞秒脉冲光源，具有广泛的用途。基于石墨烯非线性饱和吸收效应，实现的被动锁模飞秒激光器是当前非常热门的技术之一，具有很大研究价值。目前石墨烯饱和吸收体光器件的主要结构是石墨烯覆盖在单模光纤端面或微纳光纤上表面。此类结构光波导的消逝场和石墨烯接触面积较小，导致石墨烯和光场相互作用不够强烈，饱和吸收消光比较低，不利于降低飞秒脉冲宽度。另外该光器件尺寸较大，一般在厘米级别，不利于降低激光器的腔长，导致激光器重复频率较低。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体及制备方法，不仅能够增强石墨烯薄膜与光波导传输模式的相互作用力，而且还能够提高饱和吸收消光比。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体，其包括：

衬底，其长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向，所述衬底上表面开设有收容槽，所述收容槽沿X方向延伸至衬底两端；

二氧化硅光波导，其位于所述收容槽内且底部与所述收容槽槽底不接触，所述二氧化硅光波导通过悬臂梁连接于所述收容槽槽侧壁上，所述二氧化硅光波导两端分别用于与输入光器件和输出光器件耦合；

石墨烯薄膜，其覆盖于所述二氧化硅光波导上，且沿Y方向，其两侧均至少部分覆盖所述衬底上表面。

进一步地，所述二氧化硅光波导横截面尺寸，在Y方向上为300～5000nm，在Z方向上为3～10μm。

进一步地，所述石墨烯薄膜在Z方向上的尺寸为0.34～3.4nm。

进一步地，所述收容槽的两个槽侧壁中，至少有一个槽侧壁与所述二氧化硅光波导侧壁之间通过多个悬臂梁相连，且该多个悬臂梁沿X方向间隔布置。

进一步地，在所述的多个悬臂梁中，相邻两个悬臂梁的间距为3～10μm。

进一步地，所述收容槽的两个槽侧壁分别通过多个悬臂梁与所述二氧化硅光波导两侧壁相连，且每一所述槽侧壁与所述二氧化硅光波导侧壁之间的多个悬臂梁沿X方向间隔布置，同时，位于所述二氧化硅光波导两侧的悬臂梁关于所述二氧化硅光波导对称分布。

进一步地，其还包括输入光器件和输出光器件，沿X方向，所述输入光器件和输出光器件分别位于所述衬底两端。

进一步地，所述悬臂梁在Z方向上的尺寸小于等于所述二氧化硅光波导在Z方向上的尺寸。

进一步地，沿X方向，所述二氧化硅光波导包括顺次相连的输入光波导、传输光波导和输出光波导，所述输入光波导和输出光波导分别用于与输入光器件和输出光器件耦合；所述输入光波导和输出光波导在XY平面上的投影呈梯形，且该梯形的上底远离所述传输光波导，其下底与所述传输光波导相连。

本发明还提供了一种片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体的制备方法，包括如下步骤：

在绝缘体上硅SOI上沉积二氧化硅，形成衬底；

利用光刻或电子束曝光技术，对衬底进行图形化处理；

利用电感等离子刻蚀技术，对图形化处理后的衬底去除二氧化硅，以形成收容槽、二氧化硅光波导和悬臂梁；

利用深刻蚀技术，去除绝缘体上硅SOI上的硅；

铺设石墨烯薄膜，得到片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在收容槽内设置二氧化硅光波导，其折射率差较小，对光的限制作用较弱，故具有弥散程度非常高的消逝场，这一消逝场与石墨烯薄膜的接触面积较大，使得石墨烯薄膜与光场的接触更为充分，不仅能够增强石墨烯薄膜与光波导传输模式的相互作用力，而且还能够提高饱和吸收消光比。

得益于二氧化硅光波导弥散程度非常高的消逝场，二氧化硅光波导可以与输入光器件及输出光器件中的模场尺寸更好地匹配，使得输入光器件耦合进入光波导和光波导耦合进入输出光器件时的损耗较低，可以减小放大器的增益值，有利于降低锁模飞秒激光器整体功耗。

利用本发明提供的片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体，结合小型化片上集成SOA增益介质(半导体光放大器)、隔离器、波分复用器等其他光子元器件，能够降低锁模飞秒激光器环形腔体的长度，有助于提高系统稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体平面示意图；

图2为图1中A-A处截面图；

图3为图1中B-B处截面图；

图4为图1中C-C处截面图；

图5为图1中D-D处截面图；

图6为图1中E-E处截面图；

图中：1、衬底；10、收容槽；2、输入光器件；3、输出光器件；4、二氧化硅光波导；40、传输光波导；41、输入光波导；42、输出光波导；5、悬臂梁；6、石墨烯薄膜。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，并结合图2至图6进行理解，本发明实施例提供了一种片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体，其包括衬底1、二氧化硅光波导4和石墨烯薄膜6；衬底1的长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向，在衬底1上表面开设有收容槽10，图1中给出的收容槽10为方形槽，当然也可以采用圆柱槽等其他形状，收容槽10沿X方向延伸至衬底1两端，形成一个通槽结构；

参加图2至图5所示，二氧化硅光波导4位于收容槽10内且底部与收容槽10槽底不接触，二氧化硅光波导4通过悬臂梁5连接于收容槽10槽侧壁上，悬臂梁5的数量根据实际需要来设置，且在二氧化硅光波导4的一侧壁或两侧壁设置均可，目的是支撑起二氧化硅光波导4，使之悬空于收容槽10内，悬臂梁5、衬底1可以采用二氧化硅材质或其他材质，如果均采用二氧化硅材质时，由于与二氧化硅光波导4材质相同，在制造上来说要简单一些；二氧化硅光波导4两端分别用于与输入光器件2和输出光器件3耦合；

参见图1所示，石墨烯薄膜6覆盖于二氧化硅光波导4上，且沿Y方向，其两侧均至少部分覆盖衬底1上表面。

结合图6理解，本发明的原理为：将光波导等效为光纤，同样包括芯层和外包层，相对于硅光波导的芯层硅与外包层空气之间的折射率差而言，本发明在收容槽10内设置二氧化硅光波导4，其芯层二氧化硅与外包层空气之间的折射率差要小一些，对光的限制作用较弱，故具有弥散程度非常高的消逝场，这一消逝场与石墨烯薄膜的接触面积较大，使得石墨烯薄膜与光场的接触更为充分，不仅能够增强石墨烯薄膜与光波导传输模式的相互作用力，而且还能够提高饱和吸收消光比。

得益于二氧化硅光波导4弥散程度非常高的消逝场，二氧化硅光波导4可以与输入光器件及输出光器件中的模场尺寸更好地匹配，使得输入光器件耦合进入光波导和光波导耦合进入输出光器件时的损耗较低，可以减小放大器的增益值，有利于降低锁模飞秒激光器整体功耗。

利用本发明提供的片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体，结合小型化片上集成SOA增益介质(半导体光放大器)、隔离器、波分复用器等其他光子元器件，能够降低锁模飞秒激光器环形腔体的长度，有助于提高系统稳定性，激光器重复频率较高。

参见图6所示，本发明中，石墨烯薄膜6与二氧化硅光波导4传输模式的相互作用力强度，即消逝场与石墨烯薄膜6耦合，是可以通过二氧化硅光波导4横截面尺寸(Y/Z方向)和二氧化硅光波导4长度设计控制，本实施例中，二氧化硅光波导4横截面尺寸，在Y方向上为300～5000nm，在Z方向上为3～10μm。二氧化硅光波导4是芯片级尺寸，能够和小型化片上集成SOA增益介质(半导体光放大器)集成，构成芯片集成脉冲飞秒激光器；

参见图4所示，石墨烯薄膜6可以采用单层或由多层石墨烯层进行层叠而来，石墨烯薄膜6在Z方向上的尺寸为0.34～3.4nm。石墨烯薄膜6机械转移到二氧化硅光波导4后，不需要去除石墨烯层表面的保护胶，这有利于提高石墨烯薄膜6的质量，提高器件性能，而且也不需要对石墨烯薄膜6做图形化处理。

在本发明中，收容槽10的两个槽侧壁中，至少有一个槽侧壁与二氧化硅光波导4侧壁之间通过多个悬臂梁5相连，且该多个悬臂梁5沿X方向间隔布置，在该多个悬臂梁5中，相邻两个悬臂梁5的间距为3～10μm。

参见图1所示，收容槽10的两个槽侧壁分别通过多个悬臂梁5与二氧化硅光波导4两侧壁相连，且每一槽侧壁与二氧化硅光波导4侧壁之间的多个悬臂梁5沿X方向间隔布置，同时，位于二氧化硅光波导4两侧的悬臂梁5关于二氧化硅光波导4对称分布。

本实施例提供的片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体还包括输入光器件2和输出光器件3，沿X方向，输入光器件2和输出光器件3分别位于衬底1两端，输入光器件2和输出光器件3可采用单模、多模光纤以及其他光波导结构。

悬臂梁5在Z方向上的尺寸小于等于二氧化硅光波导4在Z方向上的尺寸。

参见图1所示，沿X方向，二氧化硅光波导4包括顺次相连的输入光波导41、传输光波导40和输出光波导42，输入光波导41和输出光波导42分别用于与输入光器件2和输出光器件3耦合；输入光波导41和输出光波导42在XY平面上的投影呈梯形，且该梯形的上底远离传输光波导40，其下底与传输光波导40相连。本实施例中，输入光波导41和输出光波导42在XY平面上的投影呈等腰梯形。

本发明实施例还提供了一种上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体的制备方法，包括如下步骤：

S1：在绝缘体上硅SOI上沉积二氧化硅，形成衬底1；

S2：利用光刻或电子束曝光技术，对衬底1进行图形化处理；

S3：利用电感等离子刻蚀技术，对图形化处理后的衬底1去除二氧化硅，以形成收容槽10、二氧化硅光波导4和悬臂梁5；

S4：利用深刻蚀技术，去除绝缘体上硅SOI上的硅；

S6：铺设石墨烯薄膜6，得到片上集成石墨烯二氧化硅光波导饱和吸收体。

本实施例中，采用沉积二氧化硅、并对二氧化硅进行处理，使得二氧化硅光波导4和悬臂梁5与衬底1材质相同，在制备上，较为简单。

当然了，衬底1、二氧化硅光波导4和悬臂梁5的材质可以互不相同，在制备上工序较多一些。

此外，对于绝缘体上硅SOI，其包括硅衬底层、二氧化硅中间层以及硅顶层，故，可以直接将硅顶层刻蚀掉，在二氧化硅中间层上刻蚀出二氧化硅光波导4和悬臂梁5。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。