石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法与流程

本发明涉及光学调制器领域，具体是涉及一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法。

背景技术：

在光电子集成电路中，光学调制器是最重要的集成器件之一，它将电信号转换成高码率的光数据。光学调制器是利用材料具有热光效应、电光效应、磁光效应、电吸收效应，来调制光的相位、振幅、偏振。通常设计的器件类型有马赫—曾德尔干涉仪、环谐振器、锗基电吸收调制器，但都存在很多缺点，如：调制效率不高、响应速率慢、操作带宽小、温度敏感、体积大等。

铌酸锂材料具有很高的电光系数，基于这一特性，可用于调制光的某些特性，例如相位。传统铌酸锂调制器已经成功应用于相干光通信骨干网络系统。然而，这些调制器尺寸都很大，“厘米”级别，很难用于光电子集成电路。铌酸锂薄膜片上集成光调制器是目前研究的一个热点，鉴于其在传统调制器领域的成功，是目前潜在的解决上述调制器存在问题的技术方案。相比于传统铌酸锂调制器，该调制器具有调制效率高、体积小、能耗低，这是得益于片上铌酸锂具有较大的折射率差，使得光场限制作用强，继而电极可以距离铌酸锂更近，增强了电场和铌酸锂内光场的相互作用。由此可见：电极的设计对于片上集成铌酸锂调制器有着至关重要的影响。

近些年来，人们发现石墨烯的电导率具有加电可调性，即可以通过加载驱动电压，继而改变石墨烯和光场的相互作用，这促使了石墨烯应用到光电子领域。可以给与石墨烯适当的电压，使得其对光的吸收作用很弱，但同时可以传导电。由于石墨烯非常薄，尺寸非常小，所以很适合作为传导电的媒介。目前铌酸锂调制器里电极距离铌酸锂都比较远，这是因为距离太近会引起金属吸收损耗。综上，利用石墨烯作为传导电的媒介，不仅会使得石墨烯建立的电场距离铌酸锂非常近，同时石墨烯在适当的偏压下又不会引起金属吸收损耗。如何利用石墨烯制备光学调制器成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器及其制备方法，制备的光学调制器调制效率高，响应速率高，工作带宽大，插入损耗小，器件尺寸小。

本发明提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，该光学调制器制作在衬底上，该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端，所述双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层；光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极；第二石墨烯层相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二电极。

在上述技术方案的基础上，所述双层石墨烯铌酸锂光波导还包括折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层，第二高折射率材料层位于衬底与第一石墨烯层之间。

在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层、第二高折射率材料层的材料为砷化镓、锗、硅。

在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层的厚度为100～1000nm，第二高折射率材料层的厚度为20～1000nm；第一高折射率材料层在第二方向上的宽度为150～800nm，第二高折射率材料层在第二方向上的宽度为300～3000nm。

在上述技术方案的基础上，所述铌酸锂平板波导的厚度为20～600nm，宽度为300～3000nm，铌酸锂平板波导的宽度和第二高折射率材料层在第二方向上的宽度相同或不同。

在上述技术方案的基础上，所述第一石墨烯层、第二石墨烯层中的石墨烯为单层或者多层石墨烯；所述第一石墨烯层、第二石墨烯层的厚度为0.35～3.5nm，第一石墨烯层、第二石墨烯层的厚度相同或者不相同，第一石墨烯层、第二石墨烯层在第二方向上的宽度为800～3000nm。

在上述技术方案的基础上，所述第一高折射率材料层与第一电极之间的距离为500～3000nm，第一高折射率材料层与第二电极之间的距离为500～3000nm。

在上述技术方案的基础上，所述第一电极、第二电极的材质为金、银、铝、钛、铬、镍或铜。

本发明还提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下步骤：

光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；

转移石墨烯薄膜至衬底上，形成第一石墨烯层；转移铌酸锂薄膜至第一石墨烯层上，形成铌酸锂平板波导；转移石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层；沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备第一高折射率材料层；

在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一电极；第二石墨烯层与第一电极相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二电极；

第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、第一高折射率材料层共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

本发明还提供另一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下步骤：

光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；

在衬底上沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层；转移石墨烯薄膜至第二高折射率材料层上，形成第一石墨烯层；

转移铌酸锂薄膜至第一石墨烯层上，形成铌酸锂平板波导；转移石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层；沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备第一高折射率材料层；

在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一电极；第二石墨烯层与第一电极相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二电极；

第二高折射率材料层、第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、第一高折射率材料层共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明中的光学调制器制作在衬底上，该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极、第二电极、光输入端和光输出端，所述双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层、铌酸锂平板波导、第二石墨烯层、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层；光输入端和光输出端沿平行于衬底的第一方向分布，第一方向上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底且垂直于第一方向的第二方向上，第一石墨烯层的一端延伸至与衬底的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极；第二石墨烯层相对的一端延伸至与衬底另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二电极。铌酸锂光波导具有很高的电光系数，基于这一特性以及双层石墨烯提供很强的电场，该光学调制器兼具调制效率高，响应速率高，工作带宽大，插入损耗小，器件尺寸小等优点。

(2)本发明的双层石墨烯铌酸锂光波导，相比于没有石墨烯作为电极的铌酸锂调制器，电场距离铌酸锂波导里的模式更近，使得光场和电场相互作用很强，能够提高调制效率，减小实现π(180°)相移所需的电压vπ。

(3)本发明采用石墨烯作为传导电极，同时不会引入额外插入损耗，这就会降低器件整体尺寸，非常有利于高密度片上集成。

(4)相比于现有的铌酸锂调制器，本发明在合适的石墨烯化学势下，双层石墨烯铌酸锂光波导可以选择工作在电吸收调制状态，或电-光调制状态，具有多功能性，这就使得本发明制备的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器可同时应用于强度调制和相位调制。因此，本发明不仅能够应用于电光调制(相位调制)，还能够工作于电吸收调制(强度调制)，亦或是矢量调制；即可根据石墨烯的化学势，选择工作在石墨下电吸收调制状态，或选择工作在铌酸锂电光调制状态。

(5)本发明中光学调制器的制备方法工艺简单，适于规模化生产。

(6)本发明基于石墨烯铌酸锂多层混合集成光波导结构，上层是条形硅波导，下层是硅平板光波导，使得光场大部分能量限制在铌酸锂波导区域，对光场限制作用很强。

(7)本发明采用双层石墨烯作为传导电极，建立的电场距离铌酸锂波导非常近，使得光场和电场重合部分增大，增强相互作用。

附图说明

图1是本发明实施例中具有单层高折射率材料层的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器沿第二方向的剖视图。

图2是本发明实施例中具有双层高折射率材料层的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器沿第二方向的剖视图。

图3为本发明实施例中双层石墨烯铌酸锂光波导的电场分量分布图。

附图标记：10-衬底，201-第一石墨烯层，202-铌酸锂平板波导，203-第二石墨烯层，204-第一高折射率材料层，205-第二高折射率光波导，301-第一电极，302-第二电极，i-第一方向，ii-第二方向。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器，该光学调制器制作在衬底10上，该光学调制器包括双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极301、第二电极302、光输入端和光输出端，双层石墨烯铌酸锂光波导包括从下往上依次排列的第一石墨烯层201、铌酸锂平板波导202、第二石墨烯层203、折射率为2.2～4.2的第一高折射率材料层204；光输入端和光输出端沿平行于衬底10的第一方向i分布，第一方向i上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底10且垂直于第一方向i的第二方向ii上，第一石墨烯层201的一端延伸至与衬底10的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一电极301；第二石墨烯层203相对的一端延伸至与衬底10另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二电极302。

参见图1所示，具有单层高折射率材料层的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下步骤：

光输入端和光输出端沿平行于衬底10的第一方向i分布，第一方向i上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；

转移石墨烯薄膜至衬底10上，形成第一石墨烯层201；转移铌酸锂薄膜至第一石墨烯层201上，形成铌酸锂平板波导202；转移石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导202上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层203；沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备第一高折射率材料层204；

在平行于衬底10且垂直于第一方向i的第二方向ii上，第一石墨烯层201的一端延伸至与衬底10的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一电极301；第二石墨烯层203与第一电极301相对的一端延伸至与衬底10另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二电极302；

第一石墨烯层201、铌酸锂平板波导202、第二石墨烯层203、第一高折射率材料层204共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极301、第二电极302、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

参见图2所示，双层石墨烯铌酸锂光波导还可以包括折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层205，第二高折射率材料层205位于衬底10与第一石墨烯层201之间。

参见图2所示，具有双层高折射率材料层的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下步骤：

光输入端和光输出端沿平行于衬底10的第一方向i分布，第一方向i上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；

在衬底10上沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层205；转移石墨烯薄膜至第二高折射率材料层205上，形成第一石墨烯层201；

转移铌酸锂薄膜至第一石墨烯层201上，形成铌酸锂平板波导202；转移石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导202上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层203；沉积折射率为2.2～4.2的高折率薄膜，利用电子束曝光和刻蚀，制备第一高折射率材料层204；

在平行于衬底10且垂直于第一方向i的第二方向ii上，第一石墨烯层201的一端延伸至与衬底10的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一电极301；第二石墨烯层203与第一电极301相对的一端延伸至与衬底10另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二电极302；

第二高折射率材料层205、第一石墨烯层201、铌酸锂平板波导202、第二石墨烯层203、第一高折射率材料层204共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极301、第二电极302、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

第一高折射率材料层204、第二高折射率材料层205的材料为砷化镓、锗、硅。

第一高折射率材料层204的厚度为100～1000nm，第二高折射率材料层205的厚度为20～1000nm；第一高折射率材料层204在第二方向ii上的宽度为150～800nm，第二高折射率材料层205在第二方向ii上的宽度为300～3000nm。第一高折射率材料层204、第二高折射率材料层205的尺寸可以不相同。

铌酸锂平板波导202的厚度为20～600nm，宽度为300～3000nm，铌酸锂平板波导202的宽度和第二高折射率材料层205在第二方向ii上的宽度相同或不同。

第一石墨烯层201、第二石墨烯层203中的石墨烯为单层或者多层石墨烯；所述第一石墨烯层201、第二石墨烯层203的厚度为0.35～3.5nm，第一石墨烯层201、第二石墨烯层203的厚度相同或者不相同，第一石墨烯层201、第二石墨烯层203在第二方向ii上的宽度为800～3000nm。

第一高折射率材料层204与第一电极301之间的距离为500～3000nm，第一高折射率材料层204与第二电极302之间的距离为500～3000nm。

第一电极301、第二电极302的材质为金、银、铝、钛、铬、镍或铜。

铌酸锂波导具有很大的电光系数，此处双层石墨烯和铌酸锂构成平板电容器结构，能够在铌酸锂波导内建立很强的电场，同时第一高折射率层、第二高折射率层会使得tm模式主要集中在铌酸锂波导，继而提高电场和铌酸锂的相互作用强度。

下面列举2个具体实施例。

实施例1

参见图1所示，光输入端和光输出端沿平行于衬底10的第一方向i分布，第一方向i上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底10且垂直于第一方向i的第二方向ii上，第一石墨烯层201的一端延伸至与衬底10的边缘平齐，平齐处镶嵌有第一金电极；第二石墨烯层203相对的一端延伸至与衬底10另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有第二金电极。第一石墨烯层201、铌酸锂平板波导202、第二石墨烯层203、第一高折射率硅材料层204共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一金电极、第二金电极、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

上述光学调制器的制备方法，包括以下步骤：

转移单层石墨烯薄膜至衬底二氧化硅10上，形成第一石墨烯层201；转移厚度为50nm的铌酸锂薄膜至第一石墨烯层201上，刻蚀后形成铌酸锂平板光波导202；转移单层石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导202上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层203；沉积折射率为3.47的高折率硅材料，利用电子束曝光和刻蚀，形成第一高折射率材料层204，第一高折射率材料层204的尺寸：宽为600nm，高为120nm；最后，利用磁控溅射的方法，制备第一金电极、第二金电极：在平行于衬底10且垂直于第一方向i的第二方向ii上，第一石墨烯层201的一端延伸至与衬底10的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第一金电极；第二石墨烯层203与第一电极301相对的一端延伸至与衬底10另一侧的边缘平齐，平齐处镶嵌有导电金属薄膜，形成第二金电极。

第一石墨烯层201、铌酸锂平板波导202、第二石墨烯层203、第一高折射率材料层204共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一金电极、第二金电极、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

实施例2

参见图2所示，双层石墨烯铌酸锂光波导还包括折射率为2.2～4.2的第二高折射率材料层205，第二高折射率材料层205位于衬底10与第一石墨烯层201之间。

参见图2所示，具有双层高折射率材料层的石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器的制备方法，包括以下具体实施步骤：

取二氧化硅衬底上有硅的基片(soi)，利用电子束曝光和电感等离子刻蚀，得到第二高折率射层205，第二高折射率材料层205的尺寸：宽为2000nm，高为100nm；转移高质量双层石墨烯薄膜至第二高折射率材料层205上，氧离子刻蚀形成第一石墨烯层201；转移70nm厚度的铌酸锂薄膜至第一石墨烯层201上，曝光刻蚀后形成铌酸锂平板波导202；随后转移高质量双层石墨烯薄膜至铌酸锂平板波导202上，利用氧离子刻蚀，形成第二石墨烯层203；沉积折射率为3.47的高折率硅材料薄膜，利用电子束曝光和等离子电感刻蚀，制备第一高折射率硅材料层204，第一高折射率硅材料层204的宽度为500nm，高度为120nm。

利用磁控溅射法制备第一铝电极、第二铝电极：光输入端和光输出端沿平行于衬底10的第一方向i分布，第一方向i上具有相对设置的两端，其中的一端与光输入端相连接，另一端与光输出端相连接；在平行于衬底10且垂直于第一方向i的第二方向ii上，第一石墨烯层201的一端延伸至与衬底10的边缘平齐，利用磁控溅射法在平齐处镶嵌第一铝电极；第二石墨烯层203相对的一端延伸至与衬底10另一侧的边缘平齐，利用磁控溅射法在平齐处镶嵌第二铝电极。

第二高折射率材料层205、第一石墨烯层201、铌酸锂平板波导202、第二石墨烯层203、第一高折射率材料层204共同构成双层石墨烯铌酸锂光波导，双层石墨烯铌酸锂光波导、第一电极301、第二电极302、光输入端和光输出端共同构成石墨烯铌酸锂多层结构混合集成光学调制器。

基于以上结构参数，利用有限元计算方法，对上述结构进行了建模仿真。上述具有双层高折射率材料层的双层石墨烯铌酸锂光波导的电场分量分布参见图3所示，亮色区域代表光场能量分布较多，灰色区域代表光场能量分布较低，从图3中可以看出光场大部分能量集中在铌酸锂区域，和第一石墨烯层和第二石墨烯层具有较好的相互作用。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。