基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器

技术领域

基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器，用于实现光调制速率，属于光电子技术领域。

背景技术

光调制器和光开关是光通信网络中的核心器件，对光通信网络的构建起到重要的作用。基于平面集成技术制作的光调制器和光开关具有低成本、结构紧凑、高集成度等优点，但目前仍有许多难点没有解决，如功耗、速度、消光比等。基于环形谐振腔的光调制器和光开关是近年来发展出的新技术，有望应用于未来大规模的集成光路中。环形谐振腔无需制作反射端面或光栅就可以实现光场的反馈，非常适合利用平面光波导工艺加工。它紧凑的结构有利于提高器件的集成度，谐振特性可以显著减小所需的调制相位量，降低功耗。采用高折射率差的波导材料，例如绝缘体上硅(SOI)材料，可以实现超小弯曲半径的谐振环，其制作工艺与成熟的微电子加工工艺相兼容。

石墨烯材料超宽光谱的吸收范围，超高的载流子迁移率，其光学特性可以被人为调控，并且其工艺与传统CMOS工艺兼容，被认为是未来Si材料的替代者，是制作光调制器的理想材料(见文献Kinam Kim,et al.A role for graphene in silicon-basedsemiconductor devices.Nature,2011,Vol 479,p338-344)。目前，基于石墨烯材料的光学调制器已经得到广泛的研究，但实现的光调制速率却不是很理想，目前文献报道的最大调制带宽在30GHz左右(见文献C.T.Phare,et al.Graphene electro-optic modulator with30GHz bandwidth,Nature Photonics 9,2015)，还不及传统Si基光调制器所实现的调制带宽。这主要受限于集总电极结构的较大RC常数。而石墨烯材料具有超高的载流子迁移率，其本征的工作带宽可达500GHz。

发明内容

本发明的目的在于：解决现有技术中基于石墨烯光调制器受限于集总电极结构的较大RC常数，造成调制带宽比较小的问题，提供了一种基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器，其特征在于：包括衬底层，设置在衬底层表面上的条形光波导、环形光波导和电介质填充层，所述环形光波导位于条形光波导的一侧，所述环形光波导上设置有微带线行波电极结构，所述微带线行波电极结构包括从下到上依次设置在环形光波导上的第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线，隔离环形光波导、第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线的电介质层，与第一石墨烯微带线相连接的第一电极和第二电极，分别在第一电极和第二电极的左右两侧，第二石墨烯微带线上连接的第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极和第四接地电极。

进一步，所述条形光波导将衬底层的表面分为两部分；所述电介质填充层包括被条形光波导隔离的第一电介质填充层和第二电介质填充层；所述衬底层的材料为二氧化硅。

进一步，所述环形光波导与第一石墨烯微带线被第一电介质层隔离，第一石墨烯微带线与第二石墨烯微带线被第二电介质层隔离，所述的第一电介质层、第二电介质层的材料为氮化硅、三氧化二铝、氮化硼材料之一或其组合体。

进一步，所述条形光波导和环形光波导材质相同，可以是硅、氮化硅材料之一。

进一步，所述第一电介质填充层和第二电介质填充层的材料可以是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氢硅倍半氧烷材料之一或其组合体。

进一步，所述第一电介质层的厚度为5nm～20nm。

进一步，所述第二电介质层的厚度为5nm～120nm。

进一步，所述第一电极、第二电极、第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极和第四接地电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。

进一步，所述第一电极和第二电极分别与延伸出电介质层的第一石墨烯微带线相连接，第一电极和第二电极中的一个电极作为微波信号的接入电极，另一个电极作为微波信号的引出电极；沿第一石墨烯微带线的延伸方向，第二石墨烯微带线分别延伸出电介质层连接第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极和第四接地电极，所述第一接地电极、第二接地电极、第三接地电极和第四接地电极均作为接地电极，所述环形光波导、第一石墨烯微带线和第二石墨烯微带线在垂直方向上部分相叠加。

进一步，所述第一接地电极、第二接地电极在第一电极的两侧，共同构成GSG电极结构；第三接地电极、第四接地电极在第二电极的两侧，共同构成GSG电极结构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用了微带线行波电极结构，光调制器的调制带宽将不受限于RC常数，可以大大提高调制带宽；

2、本发明光调制器波导可以基于SOI晶片，制备工艺上可与传统的SOI CMOS工艺相兼容，采用环形光波导，非常适合利用平面光波导加工工艺，且能实现紧凑的结构，有利于提高器件的集成度，且较之传统的行波结构光调制器，本发明光调制器结构无需严格的相速匹配，即可实现超宽的调制带宽，有望突破200GHz；

3、本发明行波光调制器可以通过设计特定的石墨烯-金属接触面的长度和宽度和两层石墨烯传输线之间的电介质材料和厚度，来设计整个光调制器的阻抗值大小，从而实现行波传输线的阻抗匹配，提高调制效率；

4、本发明光调制器的接入和引出电极均采用了GSG结构电极，与现有的GSG微波探针测试接口兼容，测试方便。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图的补充说明图，即是第一石墨烯微带线结构的补充说明图；

图3为本发明在有第一石墨烯微带线、第二石墨烯微带线覆盖处的环形光波导的波导横截面结构示意图；

图4为本发明中石墨烯微带线行波电极的等效电路图；

图5为本发明的工作原理示意图；

图6为本发明光光调制器归一化传输函数随着微环谐振腔光损耗因子变化而变化的曲线图。

图中，1-衬底层，2-条形光波导，3-环形光波导，41-第一电介质填充层，42-第二电介质填充层，5-第一石墨烯微带线，61-第一电极，62-第二电极，7-第二石墨烯微带线，81-第一接地电极，82-第二接地电极，83-第三接地电极，84-第四接地电极，9-电介质层，91-第一电介质层，92-第二电介质层。

具体实施方式

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器，如图1、图2和图3所示，包括衬底层1，设置在衬底层1表面上的条形光波导2、环形光波导3，所述条形光波导2将衬底层1表面分为两部分，所述环形光波导3位于条形光波导2一侧，所述条形光波导2的两侧，衬底层1表面上设置有第一电介质填充层41和第二电介质填充层42，所述环形光波导3上设置有微带线行波电极结构，所述微带线行波电极结构包括从下到上依次设置在环形光波导3上的第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线7，隔离环形光波导3与第一石墨烯微带线5、第一石墨烯微带线5与第二石墨烯微带线7的电介质层9，与第一石墨烯微带线5延伸出电介质层9的两端分别相连接的第一电极61和第二电极62，在第一电极61和第二电极62的左右两侧，第二石墨烯微带线7分别延伸出电介质层9与第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83和第四接地电极84相连接。

所述条形光波导2和环形光波导3材质相同，可以是硅、氮化硅材料之一。

所述的第一电介质层91、第二电介质层92的材料为氮化硅、三氧化二铝、氮化硼材料之一或其组合体。

所述第一电介质填充层41和第二电介质填充层42的材料可以是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或氢硅倍半氧烷(HSQ:hydrogen silsesquioxane)等材料之一或其组合体。

所述第一电介质层91的厚度为5nm～20nm。

所述第二电介质层92的厚度为5nm～120nm。

所述第一电极61、第二电极62、第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83和第四接地电极84的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯之一或其组合体。

所述第一电极61和第二电极62中的一个电极作为微波信号的接入电极，另一个电极作为微波信号的引出电极；所述第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83和第四接地电极84均作为接地电极。

所述第一接地电极81、第二接地电极82在第一电极61的两侧，共同构成GSG电极结构；第三接地电极83、第四接地电极84在第二电极62的两侧，共同构成GSG电极结构；两个GSG电极结构与第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线7和电介质层9共同构成微带线行波电极结构；两个GSG电极结构与现有的GSG微波探针测试接口兼容。

所述衬底层1为二氧化硅。

本发明的光调制器工作原理为：器件工作时，偏置电压通过GSG微波探针加载在GSG电极上，通过改变电压，动态调谐石墨烯的复介电常数，从而影响环形光波导对光的吸收。有效折射率实部对应着光场的相位变化，而其虚部对应着光场的衰减。第一石墨烯微带线5既作为微波信号的传输线，又作为光信号的吸收调控材料，当外加偏置电压工作在某一个点时，使得石墨烯-环形光波导(即第一石墨烯微带线5、第二石墨烯微带线7和环形光波导3)对光信号有着较强的吸收，而改变外加偏置电压工作在另外一个点时，使得石墨烯-环形光波导对光信号几乎不吸收。当环形光波导3中光损耗很大时，光信号直接从条形光波导2输出，相当于“ON”状态；当环形光波导3中光损耗很低时，光信号耦合进环形光波导中，条形光波导2无光信号输出，相当于“OFF”状态。因而，调控石墨烯的光学特性即可实现对光信号的调制功能。由于采用了微带线行波电极结构，其调制带宽不再受限于RC常数的限制，其调制带宽可由如下公式估算:

其中c为真空中的光速度，L为调制区域(第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线7)的有效调制长度，n_m为微波信号的有效折射率，n₀为光波在环形光波导中的有效折射率。石墨烯与光信号有较强的相互作用，因而只需要较短的石墨烯长度L即可实现较强的光吸收，即无需严格的相速匹配，即|n_m-n₀|无需非常小的值，即可实现超宽的调制带宽。在工艺实现方面，环形光波导无需制作反射端面或光栅就可以实现光场的反馈，非常适合利用平面光波导工艺加工。它紧凑的结构有利于提高器件的集成度，谐振特性可以显著减小所需的调制相位量，降低功耗。如果采用高折射率差的波导材料，例如绝缘体上硅(SOI)材料，即可实现超小弯曲半径的谐振环，能实现紧凑的结构，有利于提高器件的集成度，且其制作工艺与成熟的微电子加工工艺相兼容。对于行波传输线的阻抗匹配问题，可以通过设计特定的石墨烯-金属接触面的长度和宽度以及两层石墨烯传输线之间的电介质材料和厚度，来设计整个光调制器的阻抗值大小，从而实现行波微带线的阻抗匹配，提高调制效率。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：本实施例基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器的结构示意图如图1、图2和图3所示。采用波长为1.55μm的光波，光波从条形光波导端口接入，条形光波导2和环形光波导3的高度和宽度均为220nm和500nm，材质为Si,环形光波导3的圆半径为40μm；第一电介质填充层41、第二电介质填充层42均为HSQ材料；第一电介质层91、第二电介质层92分别为5nm、20nm厚的hBN材料；第一石墨烯微带线5、第二石墨烯微带线7的材料是单层石墨烯，第一石墨烯微带线5的宽度为5μm；第一电极61、第二电极62、第一接地电极81、第二接地电极82、第三接地电极83和第四接地电极84的材质均为在钯金属上镀上金作为接触电极；第一石墨烯微带线5的两端分别延伸出来连接第一电极61和第二电极62，作为微波调制信号的接入电极和引出电极；第二石墨烯微带线7的一端在第一电极61左右两侧均有延伸出来连接第一接地电极81和第二接地电极82，作为接地电极；第一接地电极81、第一电极61、第二接地电极82彼此之间的间距为30μm，共同构成GSG电极结构；第二石墨烯微带线7的另外一端在第二电极62左右两侧均有延伸出来连接第三接地电极83和第四接地电极84，作为接地电极；第三接地电极83、第二电极62、第四接地电极84彼此之间的间距为30μm，共同构成GSG电极结构。

图4为本发明实施例石墨烯微带线行波电极的等效电路图。石墨烯与金属电极之间有欧姆接触电阻Rc，第第一石墨烯微带线5的宽度为5μm，一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线7之间的第二电介质层92的厚度为20nm，根据微带线行波传输线模型，第一石墨烯微带线5和第二石墨烯微带线7构成的微带线行波传输线特征阻抗Z₀≈3Ω，而整个调制器总的阻抗值是由石墨烯与金属电极之间的欧姆接触电阻和微带线行波传输线特征阻抗一起构成的，为达到阻抗匹配，减小微波反射，整个调制器总的阻抗值应当接近50Ω。石墨烯与金属电极之间的欧姆接触电阻Rc值大小，是与石墨烯与金属的良好接触密切相关，而且有石墨烯-金属接触面越宽，其欧姆接触电阻Rc值越小，可由公式Rc＝R_g-m/W估算，其中，R_g-m是石墨烯与金属的接触电阻，其值大小一般在100～3000Ω·μm范围变化，与石墨烯材料的质量有关，W是石墨烯-金属的接触面宽度，因而我们可以通过设计合理的石墨烯-金属的接触面的宽度来设计合理的Rc值的大小，来实现阻抗匹配，提高调制效率。

图5是本发明实施例基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器工作原理示意图。偏置电压通过GSG微波探针加载在GSG电极上，通过改变电压，动态调谐石墨烯的复介电常数，从而影响环形光波导对光的吸收。当环形光波导3中光损耗很严重时，光信号直接从条形光波导2输出，相当于“ON”状态；当环形光波导3中光损耗很低时，光信号耦合进环形光波导中，条形光波导2无光信号输出，相当于“OFF”状态。

从式(1)可知，当L＝250μm，即使微波与光波之间的有效折射率差值为2，该光调制器的3dB调制带宽可高达267.2GHz。而微波与光波之间的有效折射率差值可根据绝缘层材料的选取而进一步缩小，实现微波信号与光波信号的速度匹配，所以可以实现更高的调制带宽。图中a₁、a₂分别为耦合前条形光波导和环形光波导的光信号，b₁、b₂分别为耦合后条形光波导和环形光波导的光信号，t、k分别是自耦合系数、交叉耦合系数，α是微环谐振腔光损耗因子，可写为其中Im(n_eff)是条形光波导的有效折射率虚部，表征对光信号的吸收强弱。

图6是本发明的实施例基于石墨烯微带线行波电极的环形谐振腔光调制器归一化传输函数随着微环谐振腔光吸收系数变化而变化的曲线图。条形光波导与环形光波导之间的耦合可以描述为：

其中

该光调制器的归一化传输函数可以描述为：

当t＝0.8时，光调制器归一化传输函数随着微环谐振腔光损耗因子α变化而变化的曲线如图5所示。从图中明显可见，当外加偏压致使微环谐振腔光损耗因子α＝t时，没有光输出；当α→1时，光信号几乎无损耗的通过，这样实现了对光信号的调制。

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。