[发明专利]集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯应用于光通信、光传感和光互连技术领域，具体涉及一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器。

背景技术

在未来的光通信中，集成化、高速化、小型化的光电探测器是必不可少的。石墨烯作为新兴的二维材料，其制作工艺与CMOS工艺兼容，并且易于与硅基调制器集成。

石墨烯是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层厚度只有约0.335nm，保证光电探测器小型化的要求。理论表明在可见光波段石墨烯会透过97.7％的光，而其余的2.3％绝大多数会被吸收，仅有约为0.1％的光被反射。由于石墨烯的带隙为零，因此石墨烯的吸收谱很宽，覆盖了由红外到可见甚至到紫外的范围，其吸收谱在300nm-2500nm都很平坦。

目前，国际上制备的FET型石墨烯光电探测器的响应度低于10mA／W，远低于实用化的要求。

目前测得低温下石墨烯的载流子迁移率为200000cm²／V·s，其大小远远超出目前质量最好的HEMT，因此石墨烯光电探测器有高带宽的特点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，将石墨烯光电探测器与波导、谐振腔等集成，克服了光响应度低的缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电探测器制作在SOI衬底上，包括：

一光波导，该光波导为条状，形成在衬底纵向的上面；

一绝缘透明薄膜，该绝缘透明薄膜均匀制作在衬底上，并覆盖光波导；

一石墨烯薄膜，其制作在绝缘透明薄膜上，并覆盖条状的该光波导的中间部分；

一第一金属电极，该第一金属电极有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，而位于条状的光波导的一侧；

一第二金属电极，该第二金属电极有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，而位于条状的光波导的另一侧；

一栅电极窗口，其形成于绝缘透明薄膜上，位于暴露的绝缘透明薄膜的任意表面。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用石墨烯薄层为有源层吸收光，光在波导中传输被石墨烯薄层吸收，由于热光效应和光伏效应产生光电流，达到光电探测的目的。

2.本发明采用石墨烯薄层为有源层吸收光，石墨烯为单层碳原子，厚度约为0.335nm，远小于传统III、V族材料制作的光电探测器厚度；本发明采用光栅耦合而非垂直入射方式吸收光，因此无须制作上下结构的DBR反射镜；以上两点大大降低器件体积和制备复杂性。

3.本发明采用石墨烯薄层为有源层吸收光，石墨烯吸收光谱范围广，因此能很好的克服传统III、V族材料制作的光电探测器探测带宽窄的缺陷。

4.本发明在光波导上集成了DBR光栅构成谐振腔，能增大石墨烯薄层下方波导光场强度，克服了石墨烯探测器光响应度低的缺陷。

5.本发明提供的这种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器可以有很大的尺寸与光谱调制范围的设计自由度，功耗小，插入损耗低，对光信号无偏振态要求，且易于与硅基调制器集成。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是依照本发明实施例的集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器的三维结构示意图。

具体实施方式

所述结构只是为了使本方案更加清晰给出的一种示例，本发明所涉及器件并不局限于附图所示结构，在图中为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，作为示意图不应该被认为严格反应了几何尺寸以及各层之间的比例关系。

请参阅图1所示，本发明提供一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电探测器制作在SOI衬底1上，包括：

一光波导2，该光波导2为条状，形成在衬底1纵向的上面，该光波导2包括一输入耦合光栅21、一第一DBR光栅22、一第二DBR光栅23和输出耦合光栅24，该输入耦合光栅21和第一DBR光栅22位于石墨烯薄膜4的一侧，该第二DBR光栅23和输出耦合光栅24位于石墨烯薄膜4的另一侧，所述输入耦合光栅21和输出耦合光栅24的结构满足布拉格条件，所述输入耦合光栅21和输出耦合光栅24的结构是均匀光栅，或是渐变光栅；