[发明专利]一种石墨烯电光调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯电光调制器及其制备方法，涉及电光调制器领域，其包括衬底以及形成于衬底上的马赫泽德干涉仪结构；所述马赫泽德干涉仪结构包括石墨烯垂直混合等离子光波导；所述石墨烯垂直混合等离子光波导包括：第一高折射率材料层、第二高折射率材料层、第二金属电极材料层、第一低折射率材料层、第二低折射率材料层、第二石墨烯材料层、绝缘材料层、第一石墨烯材料层以及第三石墨烯材料层。该调制器可实现高调节效率和带宽。

技术领域

本发明属于电光调制器领域，具体涉及一种石墨烯电光调制器及其制备方法。

背景技术

在光电子集成电路中，光学调制器是最重要的集成器件之一，它将电信号转换成高码率的光数据。光学调制器是利用材料具有热光效应、电光效应、磁光效应、电吸收效应，来调制光的相位、振幅、偏振。通常设计的器件结构类型有马赫泽德干涉仪、微环谐振器、光子晶体，但他们都存在很多缺点，如：调制效率不高、响应速率慢、操作带宽小、对温度变化敏感、体积大等。

石墨烯作为一种新型材料具有优异的光电子学特性，例如，宽带光响应、与光的强相互作用，超快载流子迁移速率等，结合硅基光波导结构，可以实现对光的宽带、高效调制。石墨烯光调制器的基本原理是通过外部驱动电压调节石墨烯的费米能级(能带结构)，实现光强度变化(即开关)。

鉴于现有技术中存在的光学调制器的上述缺点，目前存在的问题是急需研究开发一种通过增强石墨烯和光的相互作用来提高调制效率和调制宽带的石墨烯电光调制器及其制备方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯电光调制器及其制备方法。本发明提供的石墨烯电光调制器中包含垂直混合等离子光波导结构，该结构可以使得TE模式的模场在高折射率材料层与第二金属电极材料层之间的狭缝区域分布增多，有利于增强与其上层覆盖的双层石墨烯的相互作用，提高调制效率；同时该结构使得器件整体电容更低，从而使调制器拥有更高的电光调制带宽。

为达到以上目的，本发明第一方面提供了一种石墨烯电光调制器，其包括：

衬底，其长度、宽度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；以及形成于所述衬底上的马赫泽德干涉仪结构；

其中，所述马赫泽德干涉仪结构包括石墨烯垂直混合等离子光波导，所述石墨烯垂直混合等离子光波导在所述第II方向上包括：第二金属电极材料层；位于所述第二金属电极材料层两侧的第一高折射率材料层和第二高折射率材料层；位于所述第一高折射率材料层与所述第二金属电极材料层之间的第一低折射率材料层和位于所述第二金属电极材料层与所述第二高折射率材料层之间的第二低折射率材料层；以及彼此分离的第一石墨烯材料层、第二石墨烯材料层和第三石墨烯材料层；

所述第二石墨烯材料层位于所述第二金属电极材料层上且其两端分别延伸至所述第一高折射率材料层和所述第二高折射率材料层的至少部分表面上；

所述第一石墨烯材料层的一端至少延伸至所述第一低折射率材料层靠近所述第二金属电极材料层的侧边；

所述第三石墨烯材料层的一端至少延伸至所述第二低折射率材料层靠近所述第二金属电极材料层的侧边。

在上述技术方案的基础上，所述石墨烯垂直混合等离子光波导还包括绝缘材料层，所述绝缘材料层位于所述第一石墨烯材料层和所述第三石墨烯材料层的下方区域内所有结构的表面上。

在上述技术方案的基础上，所述马赫泽德干涉仪结构还包括位于所述石墨烯垂直混合等离子光波导在所述第II方向两侧的第一金属电极材料层和第三金属电极材料层。

在上述技术方案的基础上，所述第一石墨烯材料层的另一端延伸至所述第一金属电极材料层的至少部分表面上；

所述第三石墨烯材料层的另一端延伸至所述第三金属电极材料层的至少部分表面上。