一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器

1.本发明属于集成光子器件技术领域，更具体地，涉及一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器。


背景技术：

2.中红外(mid-infrared，mir)区域，通常被定义为2～20μm的波长范围，覆盖了许多分子的“分子指纹谱”，在民用和军事等方面有着对分子吸收光谱的应用。该区域还包括两个重要的大气透明窗口(3～5μm和8～12μm)，这使其成为地面和星地自由空间光通信链路的理想选择。因此，中红外区域在化学或生物传感、天文学、工业过程控制、热成像和自由空间光通信等方面具有巨大的潜力。为了开发中红外光子学应用，需要一个合适的波导平台。硅基光子学因其在近红外电信频段构建集成器件的潜力而获得了极大的关注，特别是用于光互连和通信系统。然而，由于二氧化硅的高吸收性，使得绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)材料平台用于更长的波长(大于3.8μm)受到限制。幸运的是，锗和硅同属于iv族材料，它的透明窗口是2～14μm的波长范围。由于硅对波长大于8μm的范围有强烈的吸收，因此锗是中红外集成平台的首选材料，特别是长波长的中红外。锗具有与硅相似的特性，如宽透明度范围、高折射率和机械稳定性。此外，利用成熟的cmos制造技术可以制造锗基集成器件。
3.基于锗的无源集成器件已经在中红外区域成功地进行了实验演示，如光栅耦合器、微环谐振器、阵列波导光栅、光子晶体波导和偏振旋转器等。然而，对于中红外集成系统发展至关重要的有源器件，如高速光调制器和探测器，却很少被探索。例如高性能调制器可以为自由空间光通信传输应用和光谱检测系统提供巨大的潜力，但是中红外光调制器研究较少。近年来，基于外部自由空间的量子限制斯塔克光调制器和基于自由载流子等离子体色散效应的光调制器已经被实验证明，但是这些调制器由于其复杂的制造过程而不利于大规模片上集成。因此，迫切需要探索新的效应，以促进高速集成中红外调制器的发展。
4.与此同时，石墨烯、六方氮化硼(hbn)、过渡金属二硫族化合物(tmds)和黑磷(bp)等二维材料已成为集成光子学中光电元件的有前途的材料。其基本原理如下：当施加电场时，这些材料可以改变复折射率，使其用于集成光调制应用。特别是石墨烯，由于其与光的强相互作用、高载流子迁移率和超宽带兼容性等优势，在光调制应用方面得到了广泛的研究。石墨烯可以很容易地集成在各种光子平台上，如硅、锗或其他类型的波导，实现高效的光调制。尽管在过去十年中，基于iv族集成平台的石墨烯调制器已经得到了实验证明，但在中红外区域的波导集成石墨烯调制器尚未得到探索，这限制了它们在中红外波段光通信系统中的应用。因此，迫切需要设计一个工作在中红外大气窗口的高速锗基石墨烯调制器，以满足未来中红外大气窗口光谱检测和自由空间光通信系统的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光
调制器，旨在实现中红外8～12μm大气窗口波段的光调制。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，包括悬浮锗狭缝波导和双层石墨烯电容器结构，包括自下而上设计的硅衬底、空气沟槽、锗狭缝波导、介质层、双层石墨烯结构和电极。以及，所述的上下单层石墨烯分别与左右电极欧姆接触，可以在外加电压的作用下实现光调制的功能。
7.工作时，两层石墨烯被外加电压改变其费米能级，从而改变石墨烯对光的吸收强弱能力，实现对光的高速调制。
8.作为上述技术的改进方案，所述锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器采用悬浮锗狭缝波导，该波导在锗硅平台上使用四甲基氢氧化铵(tmah)溶液通过蚀刻孔去除部分硅层，在狭缝波导下方形成空气沟槽，以消除该波段硅对光的强烈吸收。
9.作为上述方案的进一步改进，所述狭缝波导中狭缝间距200nm。双层石墨烯平铺在介质层上，利于石墨烯的转移制作。双层石墨烯结构的重叠部分中心和锗狭缝波导的狭缝中心在同一直线上，目的是保证双层石墨烯重叠位置处于光模场正上方，使得石墨烯对光吸收最大化。双层石墨烯结构的重叠部分长度与锗狭缝波导的狭缝宽度相同，双层石墨烯结构的重叠部分长度过短会造成石墨烯对光的吸收过弱，调制深度会很低，而重叠部分长度过长则会增加器件的电容，会导致调制带宽的减小，因此这里要求双层石墨烯结构的重叠部分长度与锗狭缝波导的狭缝宽度相同，从而在调制带宽与调制深度之间达到平衡。
10.作为上述方案的进一步改进，两个电极与所述锗狭缝波导中心的距离相同，目的是减小石墨烯的电阻，增大调制带宽，同时防止金属吸收造成的传输损耗。
11.作为上述方案的进一步改进，所述介质层材料为硫化锌，目的是减小该波段波导传输损耗的同时提供绝缘的作用，并且硫化锌通过热蒸发沉积在锗狭缝波导上。
12.作为上述方案的进一步改进，波导顶部与下单层石墨烯的间距5nm，目的是最大程度的增强石墨烯与波导光模式的倏逝波耦合。
13.作为上述方案的进一步改进，所述双层石墨烯是利用成熟的石墨烯转移方法转移到介质层上的，硫化锌在沉积后通过化学机械抛光磨平形成平面，利于石墨烯的覆盖。
14.作为上述方案的更进一步改进，所述锗波导层的厚度500nm，刻蚀锗的深度400nm，目的是形成低损耗的中红外光波导。锗狭缝波导、空气沟槽和硅衬底组成的悬浮锗狭缝波导通过在波导周围的孔用四甲基氢氧化铵(tmah)湿法刻蚀部分硅衬底。
15.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
16.有益效果：
17.(1)相比于基于量子限制斯塔克效应的中红外电光调制器，本发明能够利用成熟的cmos工艺，因此制作更容易实现，同时有利于大规模光电片上集成。
18.(2)相比于基于自由载流子等离子体色散效应的中红外电光调制器，本发明能够以较低的插入损耗实现较高的调制深度，同时利用石墨烯本身的高迁移率可实现很高的调制带宽。
19.(3)相比于基于石墨烯混合等离子体波导的中红外电光调制器，本发明无需非常高质量的石墨烯以及非常精确的尺寸就可以达到很好的性能，并且由于石墨烯工作在0～0.15ev的费米能级下，因此仅需1.8v的超低驱动电压即可实现调制功能。
20.(4)本发明通过对锗硅波导进行悬浮处理，达到了既减小了波导传输损耗，又提升
了光场与石墨烯相互作用的目的，实现了高性能的光调制。
21.(5)本发明锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器利用硫化锌介质层，硫化锌材料易于获取，且沉积手段多样，不仅能实现低损耗传输的目的，而且制造工艺简单。
附图说明
22.图1是本发明提供的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器的横截面结构示意图。
23.图2是本发明提供的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器的三维结构示意图。
24.图3是本发明所述的悬浮锗狭缝波导在石墨烯费米能级为0ev时的模场图。
25.图4是本发明的调制深度与石墨烯费米能级的关系，(a)是散射时间为100fs的石墨烯在8～12μm不同波长下的情况，(b)是波长9μm下不同石墨烯散射时间的情况对比。
26.图5是本发明的调制器驱动电压与石墨烯费米能级的关系。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
28.本发明提供的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其横截面示意图如图1所示，其三维结构示意图如图2所示。如图1所示，本发明提供的这种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，包括电极1、双层石墨烯结构2、介质层3、锗狭缝波导4、空气沟槽5和硅衬底6。
29.本发明采用悬浮锗狭缝波导，图3是该波导的模场能量分布。结合波导折射率分析，悬浮波导的光场能量不会向衬底泄漏，同时可以增强倏逝场与双层石墨烯的模式重叠强度，因此相较以往的结构会有更强的石墨烯光吸收，达到更高的调制深度。而狭缝波导使得电场被严格束缚在狭缝内，能够达到增强光吸收、减小电容从而提高调制带宽的目的。
30.为了实现电光调制的目的，对悬浮锗狭缝波导的尺寸也有相应的要求；本方案对所述悬浮锗狭缝波导的尺寸设计如下：锗波导高度为500nm，宽度为2.8μm，锗平板层厚度为100nm，狭缝宽度为200nm。
31.本发明在中红外8～12μm大气窗口不同波长下的调制深度随石墨烯费米能级变化关系如图4中的(a)所示，可见随着石墨烯费米能级从0ev上升到0.15ev，在8～12μm波段的不同波长处有从0.045db/μm到0.022db/μm的调制深度，和从0.008db/μm到0.007db/μm的插入损耗，调制带宽在该波段较高，同时损耗处在可接受的范围内。
32.本发明在中红外9μm波长下，不同石墨烯散射时间的调制深度随石墨烯费米能级变化关系如图4中的(b)所示，可见不同石墨烯散射时间，即不同质量的石墨烯，都可以达到对光调制的目的，因此对石墨烯的质量无需过高的要求。
33.通过给石墨烯施加电压，可以改变石墨烯的化学势，从而改变石墨烯对光的吸收能力。石墨烯费米能级与施加电压的关系如图5所示，本发明利用石墨烯从0ev到0.15ev的化学势，因此只需要1.8v的驱动电压，驱动电压较低，适合大规模集成应用。
34.本发明根据等效电路模型得到的3db电光调制带宽为78ghz，可以满足高速的中红外自由空间光通信和大气窗口光谱检测等功能。
35.本发明所述调制器制备过程大致如下：通过电子束曝光和电感耦合等离子体刻蚀，得到锗狭缝波导；通过热蒸发沉积硫化锌覆盖在波导上方；通过化学机械抛光将上层硫化锌磨平，形成平面；通过紫外光刻定义刻蚀孔，并用硝酸湿法腐蚀孔区域的硫化锌；通过四甲基氢氧化铵(tmah)经刻蚀孔，刻蚀部分硅衬底，形成空气沟槽，得到悬浮锗狭缝波导；通过成熟的石墨烯转移方法转移下单层石墨烯覆盖在硫化锌介质层上；通过紫外光刻图形化石墨烯并通过反应离子刻蚀去除不需要的石墨烯区域；定义左边的铝电极窗口，电子束蒸发沉积铝电极；再次沉积硫化锌介质层覆盖在下单层石墨烯上；用湿法腐蚀的方式去除左电极上方的硫化锌；再转移上单层石墨烯；重复石墨烯图形化步骤；最后定义右边的铝电极窗口并通过电子束蒸发沉积铝电极。
36.本发明公开了一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，利用石墨烯的电光特性，通过外加偏压改变石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯对光的吸收强弱，来达到电光调制的目的。本发明在中红外波段兼具高调制深度、低插入损耗和高调制带宽等优点，可以促进中红外大气窗口波段高速自由空间光通信和光谱检测的发展。
37.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，从上至下依次包括：电极(1)、双层石墨烯结构(2)、介质层(3)、锗狭缝波导(4)、空气沟槽(5)和硅衬底(6)，所述双层石墨烯结构(2)交错平铺在介质层(3)中、锗狭缝波导(4)的上方；所述双层石墨烯结构(2)包括上单层石墨烯-中间介质层-下单层石墨烯的“三明治”结构，所述电极(1)包括两个分别与上单层石墨烯和下单层石墨烯形成欧姆接触的电极，所述双层石墨烯结构(2)通过电极(1)对石墨烯层施加电压，利用电压来调控石墨烯的费米能级，通过石墨烯对光吸收的强弱变化来实现光的强度调制功能；所述介质层(3)用于形成双层石墨烯的电容器结构，以及形成波导与石墨烯之间的绝缘层，防止漏电；所述锗狭缝波导(4)、空气沟槽(5)和硅衬底(6)组成的悬浮锗狭缝波导用于中红外8～12μm波段的传输。2.根据权利要求1所述的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，所述双层石墨烯结构(2)的重叠部分中心和锗狭缝波导(4)的狭缝中心在同一直线上。3.根据权利要求1所述的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，所述双层石墨烯结构(2)的重叠部分长度与锗狭缝波导(4)的狭缝宽度相同。4.根据权利要求1所述的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，所述电极(1)中的两个电极与所述锗狭缝波导(4)中心的距离相同。5.根据权利要求4所述的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，所述锗狭缝波导(4)、空气沟槽(5)和硅衬底(6)组成的悬浮锗狭缝波导通过在波导周围的孔用四甲基氢氧化铵湿法刻蚀部分硅衬底(6)。6.根据权利要求4所述的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，所述电极(1)的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、铝的任意一种或任意两种以上组成的合金。7.根据权利要求1所述的锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，其特征在于，所述介质层(3)的材料为硫化锌。

技术总结
本发明公开了一种锗狭缝波导中红外石墨烯电光调制器，属于集成光子器件技术领域。从上至下依次为电极，双层石墨烯结构，介质层，锗狭缝波导，空气沟槽，硅衬底。两个电极分别与两层石墨烯形成欧姆接触，可调控石墨烯费米能级，从而改变石墨烯对波导中光的吸收强弱，实现光调制的功能。双层石墨烯电容器结构是由上单层石墨烯、中间硫化锌介质层和下单层石墨烯组成的“三明治”结构。悬浮锗狭缝波导可支持中红外8～12μm波段的低损耗传输。本发明实现了对中红外8～12μm大气窗口波段的光调制，并且具有高调制深度、低插入损耗和高调制带宽等优势，有望应用于中红外大气窗口波段构建高速自由空间光通信和片上光谱探测系统。由空间光通信和片上光谱探测系统。由空间光通信和片上光谱探测系统。


技术研发人员：衣启源 李启元 沈力 颜志伟 程光炼 熊歆喆
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/10/7