[发明专利]一种基于高纵横比波导的二维材料电光调制器

说明书

本发明公开发明了基于高纵横比波导的二维材料电光调制器。自下而上依次包括衬底层、硅光波导、电介质填充层、第一二维材料层、第二二维材料层，还包括第一金属层、第二金属层。第一金属层与第二金属层分别沉积在第一二维材料层上方靠右侧和第二二维材料层上方靠左侧。第一二维材料层与第二二维材料层仅在硅光波导上方重叠，以增强二维材料与光的相互作用，用来提高调制效率和速率。硅光波导使用波导宽度远超厚度的高纵横比几何结构，通过遏制侧壁色散使平面波导损耗最小化，并在对二维材料的耦合效果以及相位调制幅度等方面较传统二维材料调制器有极大提高。

技术领域

本发明涉及一种基于二维材料电光调制器。

背景技术

硅基光电子技术因其高密度集成、大带宽、高传输速率及抗干扰的优点，且与传统的CMOS工艺兼容等优势成为了业界普遍认可的光互联技术中最有发展潜力的关键技术。光调制器作为光互联技术中的核心器件，具有重要的研究意义。传统二维材料嵌入式调制器的光被限制在芯层中传输，调制器通过对芯层两侧电极施加不断变化的电压来改变二维材料的物理性质诸如费米能级、折射率等，从而达到调制二维材料层下方波导层中光波的目的。利用渐逝波耦合等耦合方法，二维材料附着在硅层上对光波进行调制。由于电压不断变化，调制器的吸收与相位随之发生改变，其中吸收和相位的变化大小反映了二维材料与光场耦合的效果，吸收和相位变化越大说明耦合效果越好。对于相位调制器而言，更希望相位的改变幅度较大而吸收量较小。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于高纵横比波导的二维材料集成电光调制器，利用高纵横比波导结构集成二维材料，提高二维材料性能，整型光场形状，增强二维材料和光场的相互作用。

技术方案：一种基于高纵横比波导的二维材料电光调制器，包括衬底层、硅光波导、电介质填充层、第一二维材料层、第二二维材料层、第一金属层、第二金属层；

所述硅光波导结构掩埋在衬底层上，硅光波导为高纵横比波导结构；在所述硅光波导及衬底层上覆盖第一二维材料层，所述电介质填充层沉积在所述第一二维材料层上，在所述电介质填充层上覆盖第二二维材料层，所述第一二维材料层与第二二维材料层仅在所述硅光波导上方重叠，所述第一金属层与第二金属层分别沉积在所述第一二维材料层上方靠右侧和所述第二二维材料层上方靠左侧，在所述第二二维材料层上继续沉积电介质，并与所述电介质填充层形成整体结构。

进一步的，所述第一二维材料层和第二二维材料层采用的二维平面材料为石墨烯或过渡金属硫化物。

进一步的，位于所述第一二维材料层和第二二维材料层中间的所述电介质填充层部分材料为氧化铪或氧化铝。

进一步的，所述硅光波导满足单模工作条件，纵横比10:1；所述硅光波导满足截止条件，波导中的传播模式截止。

有益效果：相较于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)高耦合效率：利用高纵横比波导集成二维材料的调制器结构，在普通波导渐逝波耦合基础上，对模场形状进行整型，使光场跟二维材料层重合度更高，从而有效加强了二维材料层与光场的耦合效果。二维材料以石墨烯为例，耦合效率超出传统二维材料调制器两倍以上。

(2)高相移幅度：利用高纵横比波导集成二维材料的调制器结构，在普通波导渐逝波耦合基础上，对模场形状进行整形，使光场跟二维材料层重合度更高，在一定电压区间内，基于高纵横比波导的二维材料电光调制器的相移幅度较传统二维材料调制器有极大提升。二维材料以石墨烯为例，相移幅度接近传统二维材料调制器的两倍。

(3)超低传输损耗：高纵横比波导使用波导宽度远超厚度的高纵横比几何结构，通过遏制侧壁色散使平面波导损耗最小化，尤其是在弯曲的情况下，损耗较传统二维材料调制器极低。

(4)高密度集成：由于高纵横比波导传输损耗低且对光场有较强限制作用，二维材料与光场的相互作用得到有效提升，从而减少调制器尺寸，提高器件集成度。

附图说明