[实用新型]一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器

说明书

本实用新型公开了一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，属于集成光子器件技术领域，包括SOI衬底，以及在其上刻蚀的硅波导层、低折射率介质包层、单层石墨烯层、夹在单层石墨烯与硅波导之间的绝缘介质层以及金属纳米天线阵列层；单层石墨烯外接金属作为顶电极，薄层外延硅外接金属构成底电极；石墨烯层可在纳米天线阵列顶上也可在其与绝缘介质层之间。本实用新型基于红外波段石墨烯电可调特性以及金属纳米天线的局域电磁场谐振增强的特性实现了石墨烯与光的耦合增强，有望用于大型数据中心、物联网、云计算等领域。

技术领域

本实用新型属于集成光子器件技术领域，具体涉及一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器。

背景技术

与传统的电互联相比，光互联具有高速、低损耗以及超高带宽等优势。而紧凑高速的电光调制器则在光互联中扮演至关重要的作用。

成熟的CMOS工艺以及优异的电学特性使硅材料在电子器件的应用中大放异彩，却在光子集成领域遇到障碍。如较低的等离子体色散等电光效应使其在电光调制器的应用就不尽理想，具体表现为调制深度低、工作频率窄、调制速率慢等。作为一种新型二维材料，石墨烯具有柔性好、强度高、极快地载流子迁移率以及可调的宽带吸波特性，使其有望用于高速宽带电光调制器。

相比纯硅调制器，基于石墨烯的硅波导调制器在尺寸、能耗以及调制速率等指标已表现出良好的效果。但单原子的厚度以及各向异性的光学特性也使得石墨烯与光的耦合能力受限，更高的性能突破变得更有挑战。近年一些基于表面等离子激元(SPP)波导的石墨烯调制器，因为SPP波导提供优良的电磁场束缚，部分性能指标表现优异，但其依然无法忽视SPP波导传输以及耦合解耦所带来的较大插损。而本设计提出一种全新局域等离子(LSP)增强的调制方案，在不牺牲硅波导低损耗性能的前提下，通过在硅波导上引入金属纳米天线，极大地提高石墨烯和周边电磁场之间的耦合。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，不仅结构简单紧凑，而且能耗低，带宽大，调制效率高。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，包括自下而上依次设置的衬底，以及在衬底上刻蚀的硅波导层和低折射率介质覆盖层，在所述的硅波导层上设置单层石墨烯层，在所述的单层石墨烯层与硅波导层之间设置充当两电极电容的绝缘介质层，在单层石墨烯层的上方或者下方设置金属纳米天线阵列层用以提供局域等离子谐振。

进一步地，所述的金属纳米天线阵列层为金属纳米条带天线阵。

进一步地，所述的硅波导层厚度为220到340纳米，宽度为300到600纳米。 220纳米的厚度可供TE模式在硅波导传输，更大的厚度如340纳米可提供TM 模式的调制器光模式输出。

进一步地，所述的单层石墨烯层外接金属电极作为顶电极，所述的硅波导层连接的薄层硅延伸层与沉积的底层金属电极构成底电极。

进一步地，所述的薄层硅延伸层厚度小于100纳米。

进一步地，所述的衬底为包含有Handle层以及BOX层的SOI衬底。BOX 层为厚的氧化硅层用于隔离上下硅层之间的耦合或串扰。

进一步地，所述的BOX层的厚度大于1微米。

较窄的波导宽度提供小的器件结构，另外，因其为波导电极一部分，小尺寸也将减低器件开关电容，显著降低器件的能耗以及增强器件的调制速率。

低折射率介质包层可以是氧化硅或空气等折射率低于波导的介质。绝缘介质层可以是氧化铝、氧化硅或六方氮化硼等绝缘薄膜材料等。硅波导的材质为低掺杂硅，可以降低波导引入的掺杂损耗以及器件的插损；薄层的硅延伸部分为重掺杂以降低电极输入阻抗，提高器件调制速率。