一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构
阅读说明：本技术 一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构 (Novel 3um intermediate infrared band is based on slit waveguide polarization irrelevant graphite alkene electro-optic modulator structure ) 是由 陆荣国 林瑞 沈黎明 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构,该器件包含两部分结构,模式转换结构及狭缝波导调制器结构。其中模式转换结构包括一个宽度逐渐变大的锥形波导结构,实现TM0到TE1模式的转换,以及一个非对称波导耦合器,实现TE1到TE0模式的转换。本发明可以通过一个模式转换结构将TM模式转换为TE模式,从而实现对光波的偏振无关调制,有效的解决了目前石墨烯光调制器对入射光波偏振方向敏感的技术难题,且本发明中的狭缝波导结构相比于传统条形波导结构具有更强的聚光作用及更短的器件尺寸,在制备工艺方面更容易实现,易于集成,并具有调制速率高、功耗低的优点。(The invention discloses a novel 3um intermediate infrared band graphene electro-optic modulator structure based on slit waveguide polarization independence. The mode conversion structure comprises a tapered waveguide structure with gradually-increased width, and realizes the conversion from TM0 to TE1 mode, and an asymmetric waveguide coupler realizes the conversion from TE1 to TE0 mode. The invention can convert TM mode into TE mode through a mode conversion structure, thereby realizing polarization-independent modulation of light wave, effectively solving the technical problem that the existing graphene light modulator is sensitive to the polarization direction of incident light wave, and compared with the traditional strip waveguide structure, the slit waveguide structure has stronger light-gathering function and shorter device size, is easier to realize in the aspect of preparation process, is easy to integrate, and has the advantages of high modulation rate and low power consumption.)
技术领域
本发明涉及一种电光调制器，属于光电子技术领域，更确切的说是涉及一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构。
背景技术
光调制器是将电信号转变为光信号送入光纤进行传输的模块，是光纤通信系统中的关键器件之一。在短脉冲的产生、信号的解复用、数据编码、光互连、波长交换、光分插复用等领域有着广泛的应用，是未来高速光通信系统的核心器件之一，有着极为广阔的应用空间。石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，有着独特、优异的光电子学特性，被认为在未来是传统的半导体材料的理想代替者。石墨烯在室温下具有20,000cm2/Vs的载流子迁移率，大约是硅材料载流子迁移率的100倍以上，意味着基于石墨烯的电子器件可以在超高速率下工作。石墨烯在外加电压下，光导率也会发生变化，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用。另外，在工艺方面，石墨烯与传统的CMOS工艺兼容，易于集成。正是因为石墨烯具有这些优异的特性，所以石墨烯材料被认为在光电子器件方面有着潜在的重要应用。
目前基于石墨烯材料的光学调制器已经得到了广泛的研究，大多数基于传统的SOI光波导结构，在波导的表面铺设石墨烯层，将偏置电压作用于石墨烯薄片上，以改变石墨烯材料本身的费米能级来改变光波导对入射光的折射率和吸收率，从而达到对入射光的相位和振幅的调制(见文献Ming Liu,Xiaobo Yin,Ulin-Avila,et al.A graphene-basedbroadband optical modulator.Nature,2011,Vol 474,p64-67和文献Gosciniak Jacek,Tan Dawn T H.Theoretical investigation of graphene-based photonicmodulators.Scientific Reports,2013,Vol 3)。但目前基于石墨烯材料的电光调制器都存在一个共同的缺陷，都是偏振相关的，即对入射光的偏振方向敏感，只能对特定方向的光波产生有效的调制，而对其它偏振方向的光波调制效果不明显，这限制了这种光调制器的使用范围。
基于石墨烯的偏振无关电光调制器已经得到报道，例如申请号为201410370459.0的发明专利公开了一种基于石墨烯的偏振无关光调制器：基板，石墨烯水平嵌入的第一石墨烯脊型波导，石墨烯垂直嵌入的第二石墨烯脊型波导，第一石墨烯脊型波导和第二石墨烯脊型波导均位于基板上，第一石墨烯脊型波导嵌入的石墨烯层和第二石墨烯脊型波导中嵌入的石墨烯层互相垂直。
正如上面所述的结构，一段光波导中同时包含一段水平嵌入的石墨烯层和一段垂直嵌入的石墨烯层，对工艺方面的要求较高，不容易实现。
又如申请号为201510469011.9的发明专利公开了一种基于弧形石墨烯的偏振不敏感调制器，包括光波导基底层，光波导基底层的上方设置有电介质层，电介质的上方设置有D形波导层，D形波导层的外围包覆有第二弧形石墨烯层，第二弧形石墨烯层的外围包覆有第一弧形石墨烯层，第一弧形石墨烯层的外围包覆有矩形波导层，矩形波导层与第一弧形石墨烯层、第一弧形石墨烯层与第二弧形石墨烯层之间以及第二弧形石墨烯层与D形波导层之间均设置有隔离介质层，第一弧形石墨烯层从D形波导的一侧延伸出来并连接有第一电极，第二弧形石墨烯层从D形波导的另一侧延伸出来并连接有第二电极。
正如上面所述的基于D形波导结构，为实现良好的偏振无关调制效果，在实现D形波导的制备工艺方面存在较大的难度。
正如上述现有的基于石墨烯的电光调制器中存在的问题，都是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出了一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构，解决了以往石墨烯光调制器制备工艺较难实现和对入射光波偏振方向敏感的问题，且由于狭缝波导更好的聚光作用，可以得到更紧凑的器件尺寸。为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构，由两部分结构组成，一部分为模式转换结构，包括一个锥形波导和一个非堆成波导耦合器；另一部分为狭缝波导调制器，包括光波导基底层，光波导基底层上设置有一组狭缝波导，狭缝波导的上下表面分别覆盖由第一、第二、第三和第四石墨烯层，第一和第二石墨烯层，第三和第四石墨烯层之间分别设置有隔离介质层，所述的第一、第四石墨烯层从狭缝波导上下表面的一侧延伸出来连接有第一电极，所述的第二、第三石墨烯层从狭缝波导上下表面另一侧延伸出来并连接有第二电极。
作为本发明的第一个优化方案，所述狭缝波导中狭缝间距60nm。
作为本发明的第二个优化方案，所述隔离介质层的厚度为20nm。
作为本发明的第三个优化方案，所述狭缝波导和模式转换结构中波导材质相同，该材质为对中红外波导有更好的吸收作用的硫系玻璃材料。。
作为本发明的第四个优化方案，所述隔离介质层由绝缘材料制成，该绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
作为本发明的第五个优化方案，所述第一电极和第二电极的材质为金、银、铜、铂、钛，镍、钴、钯的任意一种或任意两种以上的合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明设置的模式转换结构可以实现TM模到TE模的转换，在调制区域实现对TE模的调制，从而实现对光波偏振无关的调制，有效解决目前石墨烯光调制器对入射光波偏振方向敏感的技术难题。
2.本发明的狭缝波导相比于传统条形波导，具有更好的聚光作用，能够在获得较大消光比的前提下减小器件的尺寸(传统条形波导在尺寸为300um下获得高于25dB消光比，狭缝波导在尺寸为200um下获得高于30dB的消光比)，且在制备工艺上也较容易实现。
3.本发明的偏振无关电光调制器在制备工艺上可与传统的SOI、CMOS工艺相兼容，易于集成，并且具有调制速率高、功耗低的优点。
附图说明
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1(a)是本发明器件模式转换结构图；(b)是本发明器件狭缝波导调制器横截面结构图；(c)是本发明器件的三维结构示意图。
图2(a)是本发明器件模式转换结构中锥形波导转换效率示意图；(b)是本发明器件模式转换结构中非对称波导耦合器转换效率示意图。
图3是本发明器件狭缝波导调制器中石墨烯对TE和TM模吸收随外加电压变化情况。
图4是本发明器件TE、TM模在“ON”和“OFF”状态下透射率及透射率差随波长变化情况。
图中的标记分别为：1-光波导基底层；2-光波导包裹层；3狭缝波导-；4-狭缝波导；5-狭缝层；6-狭缝层；7-第一石墨烯层；8-第二石墨烯层；9-第三石墨烯层；10-第四石墨烯层；11-隔离层；12-隔离层；13-第一电极；14-第二电极；15-锥形波导结构；16-非对称波导耦合器结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构，由两部分组成，图1(a)狭缝波导调制器结构和图1(b)模式转换结构。其中狭缝波导调制器包括光波导基底层(1)，光波导基底层(1)中上设置有一组狭缝波导(3)和(4)，狭缝波导(3)(4)上下表面分别覆盖有第一石墨烯层(7)，第二石墨烯层(8)，第三石墨烯层(9)和第四石墨烯层(10)，第一石墨烯层(7)和第二石墨烯层(8)之间设置有隔离层(11)，第三石墨烯层(9)和第四石墨烯层(10)之间设置有隔离层(12)，所述第一石墨烯层(7)和第四石墨烯层(10)从狭缝光波导上下表面的一侧延伸出来并连接有第一电极(13)，所述第二石墨烯层(8)和第三石墨烯层(9)从狭缝波导的上下表面的另一侧延伸出来并连接有第二电极(14)。模式转换结构包括锥形波导结构(15)，非对称波导耦合器结构(16)，两个波导臂1(17)和波导臂2(18)，分别对应连接一个狭缝波导，调制器俯视结构(19)。
所述的一种新型3um中红外波段基于狭缝波导偏振无关石墨烯电光调制器结构，其特征在于，由一个模式转换结构以及一个聚光能力更强的狭缝波导结构调制器组成，且对于中红外波段有更好的调制能力。
所述狭缝层(5)(6)宽度为60nm。
所述隔离介质层(11)、(12)的厚度为20nm。
所述狭缝波导(3)和(4)，所述锥形波导结构(15)，所述非对称波导耦合结构(16)，该材质为对于中红外波段具有更强吸收能力的硫系玻璃材料。
所述隔离介质层(11)、(12)由绝缘材料制成，该绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。
所述第一电极(13)和第二电极(14)的材质为金、银、铜、铂、钛，镍、钴、钯的任意一种或任意两种以上的合金。
本发明的光调制器的工作原理为：入射光经由模式转换结构时，锥形波导结构会将TM0模式转换为TE1模式，再通过一个非对称波导耦合结构将TE1模式转换为TE0模式，而在此过程中，入射光的TE0模则不受模式转换结构的影响，因此入射的TE0和TM0模通过一个模式转换结构转换为TE0模式，再经由两个波导臂进入调制区域，每个波导臂对应连接一个狭缝波导。狭缝波导光调制器工作时，偏置电压通过电极加在第一石墨烯层7、第二石墨烯层8、第三石墨烯层9和第四石墨烯层10上，通过改变偏置电压，动态的调谐第一石墨烯层7、第二石墨烯层8、第三石墨烯层9和第四石墨烯层10的介电系数，从而影响光波导中传输模式有效折射率实部和虚部的变化。有效折射率的实部对应光相位的改变，虚部对应光的吸收。由于石墨烯是二维材料，只与其表面相切的光信号产生强烈的相互作用，因此该结构调制器中石墨烯对于TE0模式的吸收能力更强，这也符合我们在调制前通过一个模式转换结构将TE0和TM0模式都转换为TE0模式的操作。当偏置电压在某一特定值时，TE模的损耗非常小，光信号可以通过，当偏置电压改变到另一特定值时，TE模的光损耗会变得较大，因此TE模光会被吸收掉，光信号无法通过。从而可以调谐电压偏置点，实现对光信号偏振无关调制，又由于石墨烯超高的载流子迁移率，因而其可实现高速率光波调制。
下面结合具体的实验数据对本发明做进一步说明：
如图1所示，采用波长为3um的中红外光波，狭缝波导和模式转换结构中波导的材料都是硫系玻璃，其光折射率为2.7796，构成狭缝波导两部分尺寸分别为720nm*500nm，狭缝间距为60nm。光波导基底层，包裹层及狭缝层为SiO2(光折射率为1.444)，隔离介质层8，9采用20nm厚的六方氮化硼hBN材料(光折射率为1.98)将第一石墨烯层7和第二石墨烯层8、第三石墨烯层9和第四石墨烯层10隔离开。第一电极13和第二电极14采用钯金属，并在钯金属上镀一层金。
图2是本发明实施例光调制器模式转换结构的转换效率及模式转换电场示意图，为达到最高的转换效率，我们分别分析了锥形波导的长度以及非对称波导耦合长度对于模式转换效率的影响，可以发现，当非对称波导耦合长度为50um时，其模式转换效率接近0.98；对于锥形波导，我们将其分为三部分，并且通过分析得到对于转换效率影响最大的为第二部分，当三部分尺寸为10um，40um，10um时，转换效率高于0.9。
图3是本发明实施例光调制器光波导中对于TE、TM模的吸收情况随外加电压变化的示意图。从图中明显可见，TE模的吸收大于TM模的吸收，因此我们采用将TM模转换为TE模的原理来实现偏振无关调制。在外加电压为0.1eV时TE模的吸收达到峰值，此时光波导对TE模有着强烈的吸收作用，光信号无法通过，可以作为调制器的“OFF”状态点。当外加电压为0.8eV时，波导中TE模的吸收接近最低值且变化平缓，此时光波导对光的吸收非常弱，光信号可以通过，可以作为调制器的“ON”状态点。
图4是本发明实施例光调制器光波导中TE、TM模在“ON”和“OFF”状态点时，波导中TE、TM模的归一化透射率随波长变化的曲线示意图。从图3可以看出，在2.95um到3.05um的波长范围内，TE、TM模归一化透射率分别在“ON”和“OFF”状态时，其变化曲线几乎一致，即实现了偏振无关调制，且消光比大于30dB。
通过仿真计算结果表明，20um长度的光调制器对TE和TM模的消光比大于35dB，此结构光调制器3dB的调制带宽高于10GHz。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围任然以其权力要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
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