石墨烯中红外可调谐波导光栅的制作方法

本发明属于属于光电子器件技术领域，尤其涉及一种石墨烯中红外可调谐波导光栅。

背景技术：

光栅是指空间结构或光学参量(如折射率)分布具有周期性变化的衍射系统，可以对光进行反射、折射、干涉和衍射，在对光信号的调控中起到重要作用，光纤通信中，光栅在半导体激光器、波导输入输出耦合器、分束器、偏振分离器、滤波器、光上下路滤波器和传感等方面均有重要的应用。

传统的光栅是在光栅表面通过光刻形成刻槽，光栅制作成功后其结构和周期保持不变，由于光栅的谐振波长只与光栅的周期和有效折射率相关，所以传统的永久性光栅只能对某一固定的谐振波长附近极小范围内的光进行作用，在光通信波分复用等系统中只能利用少量的信道，降低了通信数据的传输能力。为了满足高速宽带通信的发展需求，谐振波长可调谐光栅的研究成为必然趋势。

目前，大多数波长可调谐光栅都是利用硅的热光效应和载流子色散效应，但是硅的热光效应使得光信号的响应速度慢，载流子色散效应较弱使得光栅的谐振波长改变较小，以及硅的折射率变化会对光产生较大的损耗等不足，使得直接利用硅的热光效应和载流子色散效应而制成的可调谐光栅器件性能不佳。由于石墨烯的折射率可通过外加电场来调控，且石墨烯的响应速度足够快，因此可利用石墨烯的这一特性来制作快速波长可调谐的光栅，通过改变石墨烯的折射率来改变光栅的有效折射率，从而使光栅的谐振波长发生改变，增大光栅的可调谐波长带宽。

中红外波段(2-20mm)是太阳光辖射光中一个重要的波段，其在各个科技领域有着十分重要的应用,包括传感、环境监测、生物医学应用、热成像、军事应用等等。虽然中红外光在各个领域都有巨大的应用潜力，然而集成光子学在中红外波段进展却非常缓慢，多年来一直面临着巨大的困难和挑战，远远不及近红外通信波段的研究发展。

硫系玻璃是指以S，Se，Te为主并引入一定量的其它类金属元素所形成的玻璃，它具有优良的透中红外和极佳的消热差性能(见文献Li L,Zou Y,Musgraves J D,et al.Chalcogenide glass planar photonics:from mid-IR sensing to 3-D flexible substrate integration[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2013,8600(4):86000K-86000K-6)。传统的集成光学材料，在中红外领域应用时受到限制，而硫系玻璃可以克服这方面的限制。硫系玻璃具有较长的透红外截止波长，可覆盖3个大气窗口。此外，硫系玻璃作为非晶态的材料，不需要严格的晶格匹配，可以与任何衬底材料集成。这是其在集成光学领域有非常广的应用范围。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的光栅可调谐波长范围窄，响应速度慢等问题，而提出的一种基于硫系玻璃光波导—石墨烯的可调谐中红外波导光栅，使同一结构的波导光栅在不同的电场条件下，对光波具有不同的选择性，改变光栅的反射波长。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于硫系玻璃光波导—石墨烯的可调谐波导光栅，包括衬底，所述衬底上设置有硫系玻璃脊形光波导，硫系玻璃脊形光波导包括脊区下半部分波导和脊区上半部分矩形波导，脊区下半部分波导覆盖有包层，脊区下半部分波导上从下至上依次设置有第一隔离介质层、第一石墨烯层、第三隔离介质层、第二石墨烯层、第五隔离介质层，脊区上半部分矩形波导设置于第五隔离介质层上；第一石墨烯层与第二石墨烯层均为叉指电极结构，并通过电极引出，叉指电极结构的叉指等间距周期设置。

上述技术方案中，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的为单层石墨烯。

上述技术方案中，叉指电极结构设有叉指，叉指沿波导光传输方向周期分布。

上述技术方案中，硫系玻璃脊形光波导由除氧外的第VI族元素作为阴离子的其他金属和非金属元素的化合物玻璃制成。

上述技术方案中，硫系玻璃脊形光波导由As₂Se₃、As₂S₃或Ge₂₃Sb₇S₇₀制成。

上述技术方案中，所述第一隔离介质层、第三隔离介质层、第五隔离介质层均为绝缘层。

上述技术方案中，所述绝缘层为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

上述技术方案中，所述电极的材料为金、银、铂或铜。

上述技术方案中，第一隔离介质层和第三隔离介质层之间还设有第二隔离介质层，第二隔离介质层与第一石墨烯层并排设置于同一层。

上述技术方案中，第三隔离介质层和第五隔离介质层之间还设有第四隔离介质层，第四隔离介质层与第二石墨烯层并排设置于同一层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、石墨烯的使用使得本发明具有可调谐波长范围宽，对光信号响应速度快，硫系玻璃材料的使用使得本发明便于降低中红外光的传输损耗，结合上述结构设置，使得本发明可调谐中红外波导光栅将具有可调谐波长范围宽、响应速度快等优势，相对于传统的永久性光栅，具有光栅谐振波长可调谐的特点。

2、由于石墨烯的折射率电控可调和响应速度快等特点，相对于直接利用热光效应制作的波导光栅，具有响应速度快，可调谐波长范围宽的优势。

3、覆盖在第一电极和第二电极芯层脊型脊区中第一石墨烯层和第二石墨烯层，通过在电极(第一电极和第二电极)上外加电场，使得石墨烯的折射率随外加电场的变化而变化，从而在整个波导中，使周期性覆盖有石墨烯的波导部分(指石墨烯叉指电极投影在波导上的那部分波导)的有效折射率也随电场的改变而改变，没有石墨烯覆盖的部分波导的折射率保持不变，因此在波导中沿光传输的方向上，使得波导的有效折射率随外加电场的变化呈周期性变化，形成波导光栅，而波导光栅的谐振波长只与波导光栅的周期和有效折射率有关，在不改变波导光栅结构和周期的前提下，该波导光栅的谐振波长随着外加在石墨烯上电场的变化而改变，从而形成可调谐波导光栅。

附图说明

图1是本发明的石墨烯中红外可调谐波导光栅的结构示意图；

图2是本发明的石墨烯中红外可调谐波导光栅的截面示意图；

图3是本发明的石墨烯中红外可调谐波导光栅结构中石墨烯层示意图；

图4是本发明的石墨烯中红外可调谐波导光栅的石墨烯层俯视示意图。

图中标记：1-衬底，2-脊区下半部分波导，3-包层，5-第一隔离介质层，6-第一石墨烯层，7-第二隔离介质层，8-第三隔离介质层，9-第二石墨烯层，10-第四隔离介质层，11-第五隔离介质层，12-电极，14-脊区上半部分矩形波导，15-叉指。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图1～图4，本发明的石墨烯中红外可调谐波导光栅，包括衬底1，所述衬底上为硫系玻璃光波导，硫系玻璃脊形光波导包含芯层和覆盖在芯层外围的包层3。

所述芯层为脊形光波导，所述脊形光波导分为脊区下半部分波导2和脊区上半部分矩形波导14，所述脊区下半部分波导2和脊区上半部分波导14之间有隔离层和石墨烯层，脊区下半部分波导上方从下至上依次覆盖有第一隔离介质层5、第一石墨烯层6、第三隔离介质层8、第二石墨烯层9和第五隔离介质层11。第一隔离介质层5和第三隔离介质层8之间还设有第二隔离介质层7，第二隔离介质层7与第一石墨烯层6并排设置于同一层；第三隔离介质层8和第五隔离介质层11之间还设有第四隔离介质层10，第四隔离介质层10与第二石墨烯层9并排设置于同一层。

所述第一石墨烯层和第二石墨烯层分别从两侧延伸出来并连接有电极12(包括第一电极和第二电极)。

所述的光波导芯层为脊形波导，芯层材料为硫系玻璃材料。

所述硫系玻璃材料是除氧外的第VI族元素作为阴离子的其他金属和非金属元素的化合物玻璃，可以是As₂Se₃、As₂S₃、Ge₂₃Sb₇S₇₀等材料。

所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的材料为单层石墨烯。

所述单层石墨烯，沿波导光传输方向周期分布在脊形光波导的脊区中间。

所述衬底层和包层材料为低折射率的二氧化硅。

所述第一隔离介质层5、第二隔离介质层7、第三隔离介质层8、第四隔离介质层10和第五隔离介质层11的材料为绝缘材料；所述绝缘材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

所述第一电极和第二电极的材料为金、银、铂或铜。

石墨烯是由碳原子构成的二维新材料，是典型的零带隙的半导体，通过sp2杂化形成平面六元环结构，π电子在同一平面上形成离域大π键。这种独特的结构使石墨烯具有独一无二的性质，作为世界上最薄的纳米材料，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，导热系数达到5300w/m.K，比金刚石和碳纳米管更高，室温下电子迁移率达到光速的1/300，电阻率只有10^-6Ω·㎝，比铜和银电阻率更低，是世界上电阻率最小的材料，却有超高的力学性能，达到1060GPa，被证明为当代最牢固的材料，同时，在石墨烯上外加一个电场，可以改变其折射率的实部和虚部，因此可将石墨烯运用到硫系玻璃光器件中，制成性能稳定、快速响应和对宽带光进行作用的硫系玻璃光器件。

硫系玻璃是以S,Se,Te中的一种或几种元素为玻璃组分并与其他电负性较弱的元素(如As,Sb,Ge和Si等)形成共价键的无机玻璃。硫系玻璃具有较宽的透射光谱,其透过范围覆盖了近红外通信波段，宽的光谱范围使硫系玻璃光波导可应用于光通信领域。

本发明的石墨烯中红外可调谐波导光栅的工作原理为：脊形光波导层的材料为硫系玻璃材料,对1.55～3um波段光谱有比较低的波导损耗，石墨烯材料是一种宽光谱的吸收材料，其光学响应的特性可以通过控制两端电压来改变。具体实现过程为，覆盖在光波导芯层脊型脊区中第一石墨烯层6和第二石墨烯层9，通过在电极12上外加电场，使得石墨烯的折射率随外加电场的变化而变化，从而在整个波导中，使周期性覆盖有石墨烯的波导部分的有效折射率也随电场的改变而改变，没有石墨烯覆盖的部分波导的折射率保持不变，因此在波导中沿光传输的方向上，使得波导的有效折射率随外加电场的变化呈周期性变化，形成波导光栅，而波导光栅的谐振波长只与波导光栅的周期和有效折射率有关，在不改变波导光栅结构和周期的前提下，该波导光栅的谐振波长随着外加在石墨烯上电场的变化而改变，从而形成可调谐波导光栅。

结合附图1和附图2，本实施例硫系玻璃光波导光栅的衬底1的材料是二氧化硅，在二氧化硅衬底上设置芯层脊型波导的脊区宽度为0.6μm，脊高为0.25μm，在脊区下半部分波导2上铺设有5nm厚的第一隔离介质层5，材料为六方氮化硼(hBN)，所述第一石墨烯层6和第二石墨烯层9均为单层石墨烯，分别铺设在第一隔离介质层5和第三隔离介质层8上，所述第二隔离介质层、第三隔离介质层、第四隔离介质层、第五隔离介质层均为厚度为5nm的六方氮化硼(hBN)，所述第一石墨烯层6和第二石墨烯层9分别从两侧延伸出来连接第一电极和第二电极。

石墨烯的使用使得本发明具有可调谐波长范围宽，对光信号响应速度快，硫系玻璃材料的使用使得本发明便于降低中红外光的传输损耗，因此用石墨烯和硫系玻璃材料制作的石墨烯硫系玻璃可调谐中红外波导光栅将具有可调谐波长范围宽、响应速度快等优势。