[发明专利]基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，具体是一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器。

背景技术

石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，单层石墨烯原子的吸收光比率为2.3%，因为石墨烯为零间隙的价带结构，则可以通过电压控制其米能级位置，以此调制它的光吸收。有报道（参见Ming Liu et.al, “A graphene –based broadband optical modulation” Nature No.474,pp 64-67, 2011）称，利用单层石墨烯和直波导的结构制成的光电调制器，对光波长的范围为1.3-1.6微米的光波可进行全部吸收，由于直波导不具有选频特性，其实为一种“盲目吸收”，不具有选频特性。

Steven J.等人的研究结果表明（Steven J. Koester, Mo Li, “High-speed waveguide-coupled graphene-on-graphene optical modulators” Appl. Optical Modulator Phys. Lett. 100（171107）, 2012），石墨烯的3dB带宽理论上可达120GHz ，而Liu Ming等人最新提出的结构（Ming Liu, et.al, “Double-Layer Graphene Optical Modulator” Nano Lett.12（3）, pp 1482–1485, 2012）所提出了石墨烯/直波导的光调制器结构，其调制频率为1GHz，他们实验上的结果与理论还存在巨大差距。

发明内容

本发明的目的是为解决目前直波导石墨烯调制器中存在的调制深度和调制带宽此消彼长的两难问题，而提供一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器。本发明是利用高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势，通过缩减石墨烯面积来减小RC延迟的方式增加最大调制频率。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器，包括高Q环形谐振腔谐振系统，该系统包括环形波导、in端输入以及out,drop双端输出，该系统是用SOI材料所设计出来的：包括衬底硅，衬底硅上表面设有埋氧层，埋氧层上设有波导层，在波导层上设计加工出环形波导、in端输入以及out,drop双端输出；在环形波导上取周长的一部分覆盖制作双层石墨烯薄膜调制系统，双层石墨烯薄膜调制系统包括底层电介质层、底层石墨烯、中间电介质层和顶层石墨烯，其中，在整个环形波导的表面以及埋氧层上位于环形波导内外且紧邻环形波导的表面覆盖底层电介质层；在底层电介质层的表面覆盖底层石墨烯，但位于环形波导内的底层电介质层的表面不覆盖底层石墨烯；在底层石墨烯的表面以及位于环形波导内的底层电介质层的表面覆盖中间电介质层；在中间电介质层的表面覆盖顶层石墨烯，但位于环形波导外的中间电介质层的表面不覆盖顶层石墨烯；在顶层石墨烯和底层石墨烯之间加入电压V(t)。同时，基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成，从而提升片上光互联系统的集成程度和降低技术复杂性。

通过在顶层石墨烯与底层石墨烯之间加载电场，通过电场的改变调节石墨烯费米能级的位置，从而控制石墨烯对光场能量的吸收，进而对环形波导drop端选频出来的特定光谱进行调制，以此实现调制器的功用。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明创新性地提出了一种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器（简称GRW调制器），该调制器集成了石墨烯宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势，在保持最大调制深度（约6dB）的同时，通过缩减石墨烯面积来减小RC延迟的方式增加最大调制频率，从而解决目前直波导石墨烯调制器中存在的调制深度和调制带宽此消彼长的两难问题。预期实现的3dB带宽可达100GHz以上。同时，基于微环谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成，从而提升片上光互联系统的集成程度和降低技术复杂性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中双层石墨烯薄膜调制系统的结构示意图。

图3为光波导谐振腔具有光程放大示意图。

图4为光波导谐振腔选频后形成的特定光谱。

图5为本发明装置制备工艺流程图。