一种基于石墨烯的偏振控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的偏振控制器，实现对TE模和TM模的选择性输出。
【背景技术】
[0002]光纤通信具有一系列优点，如损耗低、频带宽、容量大等优点，是解决当前数据业务爆炸式增长、通信道路拥挤的唯一出路。但当光纤通信系统单信道的传输速率达到10Gbit/s或者更高时，整个系统就会对偏振效应产生的损害非常敏感，这些损害包括光纤的偏振模色散、无源光器件的偏振相关损耗、光放大器的偏振相关增益和光调制器中的偏振相关调制等。这些损害越来越成为光纤系统向更高速发展的瓶颈，而克服这一问题方法之一就是采用偏振控制器进行偏振控制。而且，偏振控制器在相干光通信、光纤传感以及光纤测量等领域也有应用，目前已成为克服光传输系统中偏振相关损耗和监测偏振特性的关键器件。
[0003]目前已有的偏振偏振控制器主要包括光纤挤压型、波片旋转型和电光调制型。其中光纤挤压型的偏振控制主要通过压电陶瓷等器件对光纤施加不同方向的外力，从而产生应力双折射效应来改变偏振态，结构比较简单，但存在物理疲劳等因素，所以性能不稳定，不能实现精确地控制；波片旋转型是通过三片以上的半波片和四分之一波片级联，并用手控或电控方式旋转波片的主轴方向，以在不同方向上引入双折射，从而达到偏振控制的目的，这种方法相对于光纤挤压型更加精确，但这种方法是通过波片的机械旋转，其响应速度较慢；电光调制型是利用晶体的电光效应引入不同方向的双折射从而控制偏振态，这类方法控制精度较高，速度较快，但由于晶体相对较弱的电光效应，通常基于电光调制型的偏振控制器的尺寸较大，不易于集成。
[0004]石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，对从紫外光到红外光的光谱都有相对较大的吸收(见文献Dawlaty J M, Shivaraman S，Strait J, et al.Measurement ofthe optical absorpt1n spectra of epitaxial graphene from terahertz to visible.Applied Physics Letters, 2008, Vol.93)，已被广泛地研宄其在光电子器件方面的应用，包括在光调制器、偏振器方面的应用(见文献Bao Q, Zhang H, Wang B, Ni Z, et al.Broadband graphene polarizer.Nature Photonics, 2011, Vol.5 和文献 Liu M, YinX, Ulin-Avila E, et al.A graphene-based broadband optical modulator.Nature,2011，Vol.474) o
[0005]申请号为CN201210442437.1的一种光纤偏振控制器的调节装置，至少包括:光纤偏振控制器、标刻拨轮、外部面板和底座支架；所述光纤偏振控制器至少具有一个光纤环片，一个光纤环片配备一个标刻拨轮；所述标刻拨轮为圆环轮状结构，光纤偏振控制器的光纤环片位于标刻拨轮内，光纤偏振控制器的光纤环片所在平面与标刻拨轮所在平面相垂直，标刻拨轮与光纤偏振控制器光纤环片相互固定，转动标刻拨轮能够带动光纤环片旋转，且标刻拨轮的旋转轴线与光纤偏振控制器光纤环片的旋转轴线保持重合；标刻拨轮的外缘面或侧面标有刻度，刻度单位为角度单位或长度单位，用以标定光纤环片的旋转角度或旋转位移；所述外部面板开有矩形窗口，标刻拨轮的部分外缘从外部面板的矩形窗口中露出，便于从外部面板外部调节光纤环片；外部面板上靠近矩形窗口边缘的适当位置刻有光纤环片旋转读数标记，便于确定光纤环片的旋转角度或旋转位移；所述底座支架用于固定整个调节装置，保持调节装置中各部件之间的位置关系。
[0006]上述光纤偏振控制器，是通过手动旋转光纤环片的方式获得不同的光波偏振态的，在实际应用中存在如下不足:(I)光纤偏振控制器由于没有可参考的刻度标识，旋转光纤环片时只能凭感觉进行调节，要重复之前的偏振态时调节效率很差，难以将所有的光纤环片同时调回原来的位置；(2)长时间放置光纤偏振控制器，其光纤环片(在倾斜状态下)会在重力作用慢慢偏离原来的位置；(3)光纤偏振控制器通过手动扭转来调节光纤环片的角度，不适于直接进行面板安装。
【发明内容】
[0007]针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的偏振控制器，旨在解决的技术问题是:现有的波片旋转型偏振控制器是通过波片的机械旋转，其响应速度较慢；而电光调制型的偏振控制器的尺寸较大，不易于集成。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
一种基于石墨烯的偏振控制器，其特征在于，包括半导体衬底层、绝缘层、石墨烯层、隔离介质层、电极和波导，所述绝缘层位于半导体衬底层之上，电极位于绝缘层上的两侧，波导置于绝缘层之上并位于中心位置，所述电极包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述波导包括第一段波导、第二段波导、第三段波导、第四段波导，石墨烯层包括第一石墨烯层、第二石墨烯层、第三石墨烯层、第四石墨烯层，所述隔离介质层包括第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层、第四隔离介质层、第五隔离介质层和第六隔离介质层；所述第一石墨烯层、第二石墨烯层平行水平嵌入波导中，第一石墨烯层被第二隔离介质层和第三隔离介质层隔离，第二石墨烯层被第一隔离介质层、第二隔离介质层隔离；第三石墨烯层、第四石墨烯层分别垂直嵌入波导中，第三石墨烯层被第四隔离介质层、第五隔离介质层隔离，第四石墨烯层被第五隔离介质层和第六隔离介质层隔离；
第一石墨烯层、第二石墨烯层分别从波导的两个侧面延伸出来连接所述第一电极和第三电极；第三石墨烯层、第四石墨烯层从波导的上表面延伸出来后分别向两侧延伸连接第二电极和第四电极。
[0009]在本发明中，还包括第一填充介质层和第二填充介质层，所述第三石墨烯层、第四石墨烯层(44)向两侧延伸的部分位于第一填充介质层和第二填充介质层之上。
[0010]在本发明中，所述在波导中的第一、二石墨烯层全部或部分重叠，在波导中的第三、四石墨烯层全部或部分重叠。
[0011]在本发明中，所述半导体衬底层和波导的材料为硅、锗、锗硅合金、II1-V族半导体或I1-1V族半导体之一。
[0012]在本发明中，所述绝缘层、隔离介质层及第一填充介质层、第二填充介质层材料为半导体氧化物材料，如硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物。
[0013]在本发明中，所述第一电极、第三电极，其中一个接地，另一个接正电极；所述第二电极、第四电极，其中一个接地，另一个接正电极；第一至第四电极材料为金属，如金、银、铜、钼、销、钛、镲、钴或.巴。
[0014]本发明的工作原理为:
本发明提供的偏振控制器是基于传统的绝缘体上硅(SOI)结构，包括具有石墨烯的波导，其中波导中有一段具有垂直嵌入的石墨烯层，另外一段具有水平嵌入的石墨烯层，两段波导中的石墨烯分别由两个独立的电极连接。通过偏置电压来调谐石墨烯的光导率，从而控制波导有效折射率的改变。波导的有效折射率包括实部和虚部，实部可以影响光信号的相位信息，虚部对应于光的吸收。施加适当的电压，在具有水平嵌入石墨烯的波导中可以有效控制波导对TM模的吸收，而对TE模几乎透明，从而可以滤除TM模，输出TE模；在具有垂直嵌入石墨烯的波导中可以有效控制波导对TE模的吸收，而对TM模几乎透明，从而可以滤除TE模，输出TM模。这样，通过施加在石墨烯层的驱动电压分别调控两段波导对TM和TE模的吸收，从而实现对TE和TM模的选择性输出。石墨烯对从紫外光到红外光的光谱都有相对较大的光吸收，并且没有传统Si载流子影响，自身的电子迀移率非常快，因而可以实现小尺寸、宽光谱、高速率的TE-TM模偏振控制器。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
一、在绝缘层衬底的中心位置设置波导，其中波导中有一段具有垂直嵌入的石墨烯层，另外一段具有水平嵌入的石墨烯层，两段波导中的石墨烯分别由两个独立的电极连接，通过施加在石墨烯层的驱动电压分别调控两段波导对TM横磁模和TE横电模模的吸收，从而实现对TE和TM模的选择性输出；
二、本发明具有尺寸小，消光比高，插入损耗小，响应速度快，工作波长范围宽，与CMOS工艺兼容，易于集成的优点。
【附图说明】
[0016]图1是本发明提供的基于石墨烯的偏振控制器的立体结构示意图；
图2是本发明提供的基于石墨烯的偏振控制器的