一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器的制作方法

本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器。

背景技术：

可调谐光光滤波器是一种波长选择器，可以从众多的波长中选择出所需的波长，同时可控制调节滤波器的外部条件来改变滤波器输出的波长。在光纤通信中可以用在波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用和解复用等方面，自从波分复用(wdm)技术在光纤通信中的应用，极大地提高了光纤通信的传输速率和容量，特别是在光复用和解复用部分，可调谐光滤波器是不可或缺的关键器件，用来选择特定的光波长信号。

随着wdm系统的快速发展，可调谐光滤波器的可调谐范围要求要大于100纳米，调谐速率要求为纳秒级。目前科学家们已提出很多可调谐光滤波器的方案，如可调谐波导阵列(awg)滤波器、光纤光栅(fbg)滤波器、声光可调谐滤波器(aotf)、法布里—珀罗(fp)滤波器，但是awg滤波器大多数是作为固定部件，fbg滤波器的可调谐范围小，aotf滤波器的尺寸大、价格高和对偏振敏感，现在商用化的可调谐光滤波器以fp滤波器为主，虽然具有调谐范围宽、插入损耗低、价格较低等优点，但是采用机械调制的fp滤波器的调制速率较慢(毫秒级)，器件尺寸较大，对温度和振动较敏感，器件稳定性差。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其零带隙能带结构，使其具有超宽带的光学响应谱，其极高的载流子迁移率，使得石墨烯器件具有极高的响应速率，此外，石墨烯还具有良好的柔韧性和稳定性，与硅基半导体工艺兼容和电可调的特性，石墨烯的电可调特性被广泛应用于新型光电器件中，利用外加电压来调谐石墨烯的折射率，从而改变器件的性能。

硅作为一种新型半导体材料，其材料丰富、与cmos工艺兼容、稳定性高等优点，使其已成为集成电路工业中最基本和最重要的材料，目前大部分半导体器件和集成电路都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制成，随着集成电路集成度的不断提高，人们希望得到尺寸较小、价格较低、快速响应的硅基新型器件。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的光滤波器可调谐范围窄，调谐速率慢，尺寸大不便于集成等问题，而提出的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，包括u形基底，u形基底的u形槽内设有条形光波导2，条形光波导2中间嵌设有至少一层石墨烯层，条形光波导上的石墨烯层为等间距周期性设置的叉指结构；

石墨烯层延伸至u形基底两端上表面，石墨烯层与石墨烯层之间、石墨烯层与u形基底之间、石墨烯层与条形光波导2之间均设有隔离介质层，每层石墨烯层上均设有电极，每个电极上所加电压均形成电压回路。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，石墨烯层相邻的隔离介质层上设置电极。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，条形光波导2中间依次设有第一隔离介质层51、第一石墨烯层41、第二隔离介质层52、第二石墨烯层42、第三隔离介质层53；

第一石墨烯层41和第二石墨烯层42为等间距周期性设置的叉指结构，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42上均设有电极，第一石墨烯层41延伸至u形基底一端上表面，第二石墨烯层42延伸至u形基底另一端上表面。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，条形光波导2包括第一条形光波导21和第二条形光波导22，第一隔离介质层51、第一石墨烯层41、第二隔离介质层52、第二石墨烯层42、第三隔离介质层53设于第一条形光波导21和第二条形光波导22之间；

电极包括第一电极61和第二电极62，第一石墨烯层41上设置有第一电极61，第二石墨烯层42上设置有第二电极62。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，u形基底包括基底层1以及设置在基底层上的第一包层31、第二包层32，第一石墨烯层41延伸至第一包层31上，第二石墨烯层42延伸至第二包层32上。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述基底为二氧化硅。

所述的基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述条形光波导2材料为硅材料。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述第一石墨烯层41与第二石墨烯层42均为单层石墨烯，第一石墨烯层41与第二石墨烯层42结构均为叉指结构，叉指结构的叉指等间距周期性设置，且叉指部分刚好覆盖在条形光波导上。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述隔离介质层是绝缘材料中的硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物之一。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述第一电极61和第二电极62为金、银、铜或铂材料之一。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.由于硅的材料丰富，可有效降低器件的成本，硅的折射率较大，加工工艺成熟，可制作纳米级别的器件，能大大减小器件的尺寸，故利用硅制作的滤波器具有成本低、器件尺寸小、便于集成等优势。

2.利用新型二维材料石墨烯的电可调谐特性、超宽的响应光谱范围、极高的载流子迁移率和高稳定性等特性，制成的新型石墨烯光滤波器，相对于传统的光滤波器，具有调谐范围宽，调谐速率快(纳秒级)，稳定性高(对温度不敏感)等优势。

附图说明

图1是本发明的截面示意图；

图2是本发明的第一石墨烯层的俯视图；

图3是本发明的第一石墨烯层的结构图；

图4是本发明基于的第二石墨烯层的结构图。

图中标记：1-基底层，2-条形光波导，21-第一条形光波导，22-第二条形光波导，31-第一包层，32-第二包层，41-第一石墨烯层，42-第二石墨烯层，51-第一隔离介质层，52-第二隔离介质层，53-第三隔离介质层，61-第一电极，62-第二电极。

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2、图3和图4，本发明的基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，包括基底层1，所述基底层上设置有条形光波导2、第一包层31、第二包层32，基底层1、第一包层31和第二包层32构成u形基底，在条形光波导2中间设置有第一石墨烯层41和第二石墨烯层42，第一石墨烯层41延伸至第一包层31上表面，第二石墨烯层42延伸至第二包层32上表面，在条形光波导2与第一石墨烯层41和第二石墨烯层42、第一石墨烯层41与第二石墨烯层42、第一石墨烯层41与第一包层31、第二石墨烯层42与第二包层32之间分别设置有隔离介质层，第一石墨烯层41上设置有第一电极61，第二石墨烯层42上设置有第二电极62。此处，隔离介质层上也可以设置电极，使之与各层石墨烯上加的电极形成电压回路。

所述条形光波导2分为第一条形光波导21和设置在第一条形光波导21上侧的第二条形光波导22，所述第一条形光波导21、第一包层31之上与第一石墨烯层41之下的隔离介质层为第一隔离介质层51，所述第二包层32、第一石墨烯层41之上与第二石墨烯层42之下的隔离介质层为第二隔离介质层52，所述第二石墨烯层42与第二条形光波导22之间的隔离介质层为第三隔离介质层53。

所述基底层1、第一包层31和第二包层32的材料为二氧化硅。

所述条形光波导2材料为硅材料。

所述第一石墨烯层41与第二石墨烯层42为单层石墨烯，结构为叉指结构，叉指结构的叉指等间距周期性设置。第一石墨烯层41和第二石墨烯层42位于条形光波导2上的叉指结构在垂直方向上重合。

所述隔离介质层是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物等绝缘材料或者其他绝缘材料之一。

所述第一电极61、第二电极62为金、银、铜或铂，或者其他可用作电极的材料之一。

本发明的基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器的工作原理：光滤波器结构中的条形光波导采用硅材料，利用其材料丰富、折射率较大、加工工艺成熟等特点，可有效降低器件制作的成本和减小器件的尺寸；石墨烯典型的零带隙特性，赋予了石墨烯极宽的响应光谱范围，并且石墨烯的光学响应特性可通过外加偏置电压进行调控。将第一石墨烯层41和第二石墨烯层放置在条形光波导2的中间，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42结构采用叉指结构，叉指结构的叉指等间距设置，如附图3,4所示，叉指部分刚好覆盖在条形光波导2上，第一石墨烯层41的一侧延伸至第一包层31上，连接第一电极61，第二石墨烯层42的一侧延伸至第二包层32上，连接第二电极62，通过在第一电极61和第二电极上外加偏置电压改变石墨烯的费米能级，以此来改变第一石墨烯层41和第二石墨烯层42的折射率，从而改变条形光波导2的有效折射率。第一石墨烯层41和第二石墨烯层42叉指结构的叉指部分沿波导光传输的方向，周期性地分布在条形光波导2上，被第一石墨烯层41和第二石墨烯层42叉指覆盖的条形光波导2部分，与未被第一石墨烯层41和第二石墨烯层42叉指覆盖的条形光波导2部分的有效折射率不一样，因此，在条形光波导2传输方向上，条形光波导2的有效折射率成周期性分布，此时该条形光波导2具有滤波作用，可对固定波长的光进行反射滤波。同时可通过外加电压来调控第一石墨烯层41和第二石墨烯层42的折射率，从而调控被第一石墨烯层41和第二石墨烯层42叉指覆盖的条形光波导2部分的有效折射率，而未被第一石墨烯层41和第二石墨烯层42叉指覆盖的条形光波导2部分的有效折射率始终保持不变，因此沿条形光波导2传输方向上，条形光波导2的有效折射率周期性分布，且有效折射率可随外加偏置电压的改变而改变，从而可以调谐该条形光波导2对一定范围内的光波长进行滤波，形成光波导可调谐光滤波器。

实施例一

结合附图1，本实施例基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器的基底层1、第一包层31、第二包层32材料均为二氧化硅；基底层1上设置的条形光波导2的宽度和高度分别为0.6μm和0.4μm，采用硅材料，条形光波导分为第一条形光波导21和设置在第一条形光波导21上的第二条形光波导22，第一条形光波导21、第一包层31之上与第一石墨烯层41之下的隔离介质层为第一隔离介质层51，所述第二包层32、第一石墨烯层41之上与第二石墨烯层42之下的隔离介质层为第二隔离介质层52，所述第二石墨烯层42与第二条形光波导层22之间的隔离介质层为第三隔离介质层53，隔离介质层的厚度均为10nm，采用氮化硼(hbn)材料，第一石墨烯层41上设置有第一电极61，第二石墨烯层42上设置有第二电极62，均采用金(au)材料制作。

实施例二

一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，包括u形基底，u形基底的u型槽内设有条形光波导2，条形光波导2中间嵌设有一层石墨烯层，条形光波导上的石墨烯层为等间距周期性设置的叉指结构；

石墨烯层延伸至u形基底两端上表面，石墨烯层与石墨烯层之间、石墨烯层与u形基底之间、石墨烯层与条形光波导2之间均设有隔离介质层，石墨烯层上设有电极。在u形基底一端的表面上的石墨烯层上设置一个电极，在石墨烯层相邻的隔离介质层上设置另一个电极，此处的两个电极极性相反。

石墨烯层为等间距周期性设置的叉指结构。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，条形光波导2包括第一条形光波导21和第二条形光波导22，第一隔离介质层51、第一石墨烯层41、第二隔离介质层52、第二石墨烯层42、第三隔离介质层53依次设于第一条形光波导21和第二条形光波导22之间；

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，u形基底包括基底层1以及设置在基底层上的第一包层31、第二包层32，石墨烯层延伸至第一包层31上，石墨烯层延伸至第二包层32上。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述基底为二氧化硅。

所述的基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述条形光波导2材料为硅材料。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述第一石墨烯层41与第二石墨烯层42均为单层石墨烯，第一石墨烯层41与第二石墨烯层42结构均为叉指结构，叉指结构的叉指等间距周期性设置，且叉指部分刚好覆盖在条形光波导上。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述隔离介质层是绝缘材料中的硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物之一。

所述的一种基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器，所述第一电极61和第二电极62为金、银、铜或铂材料之一。基于石墨烯硅波导的可调谐光滤波器利用石墨烯电可调谐特性、响应光谱范围宽、载流子迁移率高及稳定性好等特点，使得石墨烯光滤波器的调谐范围较宽，调谐速度较快，器件的稳定性高(对温度、振动等不敏感)，本发明利用硅材料的优质特性，有效降低了光滤波器的制作成本，减小了器件的尺寸，并且具有便于集成的优势。