[发明专利]一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，包括：衬底，在衬底上叠放的第一微纳波导和第二微纳波导，位于第一微纳波导和第二微纳波导之间的介质层和第一单层石墨烯，以及分别与所述第一微纳波导和第二微纳波导连接并用以施加调制电压的第一电极和第二电极；所述的第一微纳波导和第二微纳波导中的至少一种为金属波导；所述的第一单层石墨烯位于其中一个金属波导和介质层之间；且其中一个电极通过所述的第一单层石墨烯与对应的金属波导连接。本发明采用波导垂直排布的结构设计，结合石墨烯和SPP的优势，使调制深度高于已有电吸收调制器，达到70％以上；且器件的结构电容较小，极大提高了器件的整体响应速度。

技术领域

本发明涉及石墨烯与表面等离子激元(SPP)在微纳光电系统中的应用，特别是涉及一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器。

背景技术

光调制器作为现代光电通信系统中最重要的器件之一，能够实现对信号快速而准确的编码调制。探索高速、宽带，紧凑结构的光调制器是该领域研究的目标与方向。

石墨烯作为一种新型的二维层状材料，具有与石墨烯相互作用强、宽工作带宽和高速运行等优点，有望实现光调制器的高速，宽带和结构紧凑的要求。表面等离子激元效应可以实现对光场的强约束性，能够实现在更小尺度上对光场的操作。

目前，基于石墨烯的电吸收调制器以及基于石墨烯与表面等离子激元结合而设计的电吸收光调制器已被广泛报道，这些调制器大都具有调制带宽宽，易于金属氧化物半导体沟道或者硅基CMOS工艺兼容等特点。但是，当前已有的相关调制器结构的能够实现的调制速率都还很慢，并且调制深度低，这些问题使得该类光调制器很难满足光电集成系统的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，这种调制器采用方形微纳波导垂直排布的设计方式，并且充分结合了石墨烯和SPP的优势；该调制器的调制深度远远高于目前已有的基于石墨烯的电吸收调制器，达到70％以上；同时，与采用薄膜波导设计方式的电吸收光学调制器相比，该光调制器上下电极之间的有效相对面积很小，使得器件的结构电容做到很小，相应地使得器件的响应速率得到了极大提高，能够达到几十GHz，甚至更高。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于石墨烯的表面等离子激元电吸收光调制器，包括：

衬底，在衬底上叠放的第一微纳波导和第二微纳波导，位于第一微纳波导和第二微纳波导之间的介质层和第一单层石墨烯，以及分别与所述第一微纳波导和第二微纳波导连接并用以施加调制电压的第一电极和第二电极；

所述的第一微纳波导和第二微纳波导中的至少一种为金属波导；

所述的第一单层石墨烯位于其中一个金属波导和介质层之间；

且其中一个电极通过所述的第一单层石墨烯与对应的金属波导连接。

本发明的电吸收光调制器中波导采用垂直放置的方式，极大地减小了上下有效电极的相对面积，从而使得器件的结构电容可以做的很小，系统的响应频率得到很大提升。

其中，所述的衬底为上表面具有氧化硅层的硅基衬底。

作为优选的，所述的第一微纳波导为半导体波导或金属波导，所述第二微纳波导为金属波导。

本发明中，上下两个微纳波导组成的垂直结构为金属波导与金属波导或金属波导和半导体波导。

半导体波导与金属波导对表面等离子体波进行约束限制，防止等离子体波衬底引导泄漏。同时，位于介质层界面处的金属波导和半导体波导充当反射镜，反射回泄漏的SPP波，极大地提升了石墨烯与SPP波的相互作用强度，提升了调制深度。