基于石墨烯?二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的M?Z電光調制器的制作方法

本發明屬于光電子器件技術領域，具體涉及一種一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器。

背景技術：

光調制器是光通信系統中的關鍵器件，其性能的優劣直接影響著光信號的傳輸質量和系統的穩定性。m-z電光調制器是一種采用干涉儀結構的外調制器，通過對參考臂和調制臂施加不同電壓，改變光波相位，使得光波在輸出端發生干涉相長或相消，從而將相位變化轉變為光強變化，實現強度調制。光柵是指光學參量或空間結構分布具有周期性變化的衍射系統，可以對光進行反射、折射、干涉和衍射。傳統的光柵是在材料表面通過光刻形成永久性刻槽，因此諧振波長固定。為了滿足高速大容量光通信的要求，可調諧光柵的研究成為熱點。大部分硅基可調諧光柵都是利用硅的熱光效應和載流子色散效應，但是硅的熱光效應對光信號的響應速度慢，載流子色散效應較弱，諧振波長改變量較小。

石墨烯是排列成二維密集蜂窩狀晶格結構的碳原子單層，單層石墨烯的吸收率為2.3％，可用作光吸收材料。石墨烯還具有特殊的零帶隙能帶結構，使傳遞電子的速率比已知導體都快，接近光速的1/300；電阻率只有約10^-6ω·cm，是已知的電阻率最小的材料；載流子遷移率高達200000cm²/(v·s)，這為制備高速電光調制器提供了可能性。石墨烯的有效折射率受外加電場的調控，利用其電致折射效應，一方面可以用于改變光柵的諧振波長；另一方面可以加到m-z電光調制器的兩臂上，改變光波相位，進而改變輸出光的光強。

二硫化鉬是過渡金屬硫化物中的一種，分子為x-m-x夾心結構，層內作用力為共價鍵，層間相互作用為弱的范德華力。單層二硫化鉬是禁帶寬度為1.9ev的直接帶隙材料，具有良好的電子遷移率，約為700cm²/(v·s)，開關比高達108。電學和光學特性優異。

以上方案也存在問題：(1)傳統的m-z干涉儀多采用電光效應，尺寸較大，調制深度差，消光比小，不便于集成，溫度容差小；(2)利用熱光效應和載流子色散效應制成的可調諧光柵的性能不能很好地滿足高速大容量光通信系統的要求；(3)基于石墨烯的m-z電光調制器的設計是將多層石墨烯直接嵌入到脊波導中，有效折射率的變化較小，制作工藝復雜。

技術實現要素：

本發明為了克服現有技術尺寸大不便于集成、調制深度差、消光比小、溫度容差小的難題，提供了一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器，包括襯底層、嵌設在襯底層內依次相連接的輸入輸出可調諧光柵、輸入輸出直光波導、s彎曲型y分支波導和兩臂直光波導，所述輸入輸出可調諧光柵、輸入輸出直光波導、s彎曲型y分支波導和兩臂直光波導的波導上表面與襯底層的上表面在同一平面上，所述兩臂直光波導上設置有第一石墨烯覆蓋層，第一石墨烯覆蓋層包括從下到上依次設置的第二石墨烯層、二硫化鉬和第一石墨烯層，第二石墨烯層上連接的第二電極，第一石墨烯層上連接的第一電極和第三電極，第一電極和第三電極未接觸，所述輸入輸出可調諧光柵設置有第二石墨烯覆蓋層，第二石墨烯覆蓋層包括從下到上依次設置的第四石墨烯層、氮化硼隔離層和第三石墨烯層，設置在第四石墨烯層上的第五電極和設置在第三石墨烯層上的第四電極,其中，第三石墨烯層和第四石墨烯層均為叉指電極結構。

所述第一石墨烯覆蓋層上的第一石墨烯層和第二石墨烯層被二硫化鉬隔開構成異質結。

所述兩臂直光波導包括參考臂和調制臂，所述第一石墨烯層從參考臂和調制臂向外延伸，并分別與參考臂上的第一電極和調制臂第三電極相連接，所述第二石墨烯層覆蓋在參考臂和調制臂上，并與設在參考臂和調制臂中間的第二電極相連接。

所述輸入輸出可調諧光柵的波導結構為掩埋型波導，第三石墨烯層向外延伸并連接到第四電極，第四石墨烯層向外延伸并連接到第五電極。

所述m-z調制器的分支波導為s彎曲型y分支波導。

所述襯底層的材料為二氧化硅。

所述輸入輸出可調諧光柵、輸入輸出直光波導、s彎曲型y分支波導、兩臂直光波導的波導材料均為氮化硅。

所述第一電極、第二電極、第三電極、第四電極和第五電極的材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的任意一種或者任意兩種以上的合金。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、用氮化硅作為波導材料，具有超低的光損耗和較低的熱光系數，插入損耗小，對環境溫度的容忍度大。

2、相比于傳統的m-z電光調制器具有更小的尺寸，在參考臂和調制臂上引入石墨烯-二硫化鉬異質結大大增強了光與石墨烯的相互作用，增大了有效折射率實部的改變量，從而降低了尺寸，且采用s彎曲型y分支波導，使器件彎曲損耗大大降低。

3、可調諧光柵可以對不同波長的光進行諧振，從而大大增加了光通信的傳輸容量，可用于波分復用系統。

4、石墨烯材料具有寬光譜響應的優勢，且與傳統cmos工藝兼容，另外由于石墨烯的載流子遷移率很高，為高速調制提供了可能。

5、通過使二硫化鉬與第一石墨烯層、第二石墨烯層構成異質結，充分發揮了石墨烯和二硫化鉬材料的優勢，提高了消光比，增大了調制深度。

附圖說明：

圖1是本發明的基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器的調制臂直波導的截面示意圖；

圖2是本發明的基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器的結構示意圖；

圖3是本發明的基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器的輸入輸出可調諧光柵的結構示意圖；

圖4是本發明的基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器的實施例工作原理示意圖；

圖中標記：1、襯底層，2、輸入輸出可調諧光柵，3、輸入輸出直光波導，4、s彎曲型y分支波導，5、兩臂直光波導，51、參考臂，52、調制臂，6、第一石墨烯覆蓋層，61、第一石墨烯層，62、二硫化鉬，63、第二石墨烯層，64、第一電極，65、第二電極，66、第三電極，71、第三石墨烯層，72、氮化硼隔離層，73、第四石墨烯層，74、第四電極，75、第五電極。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的描述，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，并不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的其他所用實施例，都屬于本發明的保護范圍。

結合附圖，一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的m-z電光調制器，包括襯底層1、嵌設在襯底層1內依次相連接的輸入輸出可調諧光柵2、輸入輸出直光波導3、s彎曲型y分支波導4和兩臂直光波導5，所述輸入輸出可調諧光柵2、輸入輸出直光波導3、s彎曲型y分支波導4和兩臂直光波導5的波導上表面與襯底層1的上表面在同一平面上，所述兩臂直光波導5上設置有第一石墨烯覆蓋層6，第一石墨烯覆蓋層6包括從下到上依次設置的第二石墨烯層63、二硫化鉬62和第一石墨烯層61，第二石墨烯層63上連接的第二電極65，第一石墨烯層61上連接的第一電極64和第三電極66，第一電極64和第三電極66未接觸，所述輸入輸出可調諧光柵2設置有第二石墨烯覆蓋層，第二石墨烯覆蓋層包括從下到上依次設置的第四石墨烯層73、氮化硼隔離層72和第三石墨烯層71，設置在第四石墨烯層73上的第五電極75和設置在第三石墨烯層71上的第四電極74。其中，第三石墨烯層71和第四石墨烯層73均為叉指電極結構。

作為本發明一種優選的方式，所述第一石墨烯覆蓋層6上的第一石墨烯層61和第二石墨烯層63被二硫化鉬62隔開構成異質結。

所述兩臂直光波導5包括參考臂51和調制臂52，所述第一石墨烯層61從參考臂51和調制臂52向外延伸，并分別與參考臂51上的第一電極64和調制臂52上的第三電極66相連接，所述第二石墨烯層63覆蓋在參考臂51和調制臂52上，并與設在參考臂51和調制臂52中間的第二電極65相連接。

所述輸入輸出可調諧光柵2的波導結構為掩埋型波導，第三石墨烯層71向外延伸并連接到第四電極74，第四石墨烯層73向外延伸并連接到第五電極75。

所述m-z調制器的分支波導為s彎曲型y分支波導4。

所述襯底層1的材料為二氧化硅。

所述輸入輸出可調諧光柵2、輸入輸出直光波導3、s彎曲型y分支波導4和兩臂直光波導5的波導材料均為氮化硅。

所述第一電極64、第二電極65、第三電極66、第四電極74和第五電極75的材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的任意一種或者任意兩種以上的合金。

本發明的光調制器工作原理如下：

偏置電壓通過第四電極74和第五電極75加在第二石墨烯覆蓋層上，改變偏置電壓，使采用叉指電極結構周期性覆蓋的石墨烯的波導的有效折射率隨外加電場改變而改變，而沒有石墨烯覆蓋的波導的折射率保持不變，所以在光傳播的方向上，波導的有效折射率隨外加電場的變化呈現周期性變化，又因為光柵的諧振波長與有效折射率有關，所以形成可調諧波導光柵。

對于m-z電光調制器，當偏置電壓通過第一電極64、第二電極65、第三電極66分別加在參考臂51和調制臂52上的第一石墨烯覆蓋層6上時，石墨烯的復介電常數受到外加電場的調諧，從而影響兩臂直光波導5對光的折射，使得光波的相位發生改變，在輸出s彎曲型y分支波導4處發生干涉。二硫化鉬62具有跟石墨烯互補的電學和光學特性，可以發揮二硫化鉬和石墨烯的優勢，構成的異質結可以增強光與物質的相互作用。當第一電極64和第三電極66的電壓相同時，即處于靜態工作點，參考光波和調制光波的相位差為0，二者發生相干相長，輸出光強最大，相當于“on”狀態；當第一電極64和第三電極66的電壓不同且參考光波和調制光波的相位差為π時，二者發生相干相消，輸出光強最小，相當于“off”狀態。因此，通過調控參考臂51和調制臂52的第一石墨烯覆蓋層6的光學特性即可實現對光信號的強度調制。

實施例一

結合附圖，本實施例采用波長為1.55μm的光波，襯底層1材料為二氧化硅，輸入輸出可調諧光柵2、輸入輸出直光波導3、s彎曲型y分支波導4、兩臂直光波導5的波導材料為氮化硅，輸入輸出可調諧光柵2、輸入輸出直光波導3、s彎曲型y分支波導4、兩臂直光波導5的波導的寬度和厚度分別為1μm和0.3μm。第一電極64、第二電極65、第三電極66、第四電極74和第五電極75的材質為金。

圖4是本實施例電光調制器工作原理示意圖，首先對輸入輸出可調諧光柵2的第四電極74和第五電極75外加電壓，使電壓差為v3，調控石墨烯的有效折射率，使得可調諧光柵2對1.55μm波長的光諧振滿足公式：

λb＝2neff·λ·sinθ(1)

式中，neff為芯層波導的有效折射率，本例中neff對應模式有效折射率，與石墨烯復折射率密切相關；λ為光柵周期，即叉指電極間距；θ為光波入射出射角度；λb為諧振波長，本例中取為1.55μm。式中的neff受外加電壓v3調控。

石墨烯復折射率受電場調控，即當第一電極64和第三電極66對應電壓v1與v2發生改變時，石墨烯復折射率改變，對應模式有效折射率發生改變。

使v1與v2取值相同，則參考臂51和調制臂52中光波的模式有效折射率相同，兩光波在通過兩臂后，對應相位差為0，發生干涉相長，使得透過率最大，即“on”狀態；然后改變參考臂電壓v1和調制臂電壓v2的值，使v1和v2分別對應模式有效折射率實部的最小值和最大值，相位差與有效折射率的關系如下式所示：

式中，δre(neff)為波導中模式有效折射率實部的改變量；λ為入射波長；l為參考臂51和調制臂52的長度。通過控制臂長使兩光波通過兩臂后對應的相位差為π，發生干涉相消，使得透過率最小，即“off”狀態，從而實現調制。