一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器的制作方法

1.本发明涉及一种宽带的片上模式滤波器技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器。


背景技术：

2.集成光子学中器件的最基本结构是光波导，随着信息传输需求的增长，模分复用波导器件得到越来越多的应用。对于模式复用器件，其光波导结构需要能够传输多个模式。模分复用器件中模式的相互串扰会影响器件的性能，减小模式串扰的有效手段之一就是引入模式滤波。通过引入特定结构，实现对特定模式的滤波，这样可以减小器件的串扰，提升器件性能。模式滤波技术对于集成光子信号传输器件、信号处理器件都有着重要意义。
3.近年来，铌酸锂薄膜的制备技术逐渐成熟，促使其走向大规模商业化应用。铌酸锂材料具有优异的电光响应特性、非线性响应特性以及压电响应等特性，同时具有宽透光波段，被广泛应用于集成光电子器件，尤其是光通信器件，如电光调制器。在光通信器件中，模式复用能够增加器件的信道数，提高信号传输的效率，基于铌酸锂薄膜的模式复用器件已经得到了大量关注和研究。解决铌酸锂薄膜器件中的模式串扰具有重要实用价值，能够有效提升其效率和可靠性。目前的铌酸锂薄膜模式滤波器研究较少，集成光电子器件通常需要更小的尺寸、更大的工作带宽，而现有技术中缺乏结构紧凑、具有宽带工作特性的铌酸锂薄膜模式滤波器方案。
4.石墨烯材料是一种性能优异的新型材料，目前大面积的石墨烯的生长和转移工艺已经成熟，其独特的宽带可饱和吸收特性能够应用于宽带光电子器件，实现对光场的调控。石墨烯-铌酸锂薄膜异质集成器件能够兼具两种材料的优异光电性能，用于制备超宽带、高集成度的光电子单元器件时具备天然优势。本发明专利将利用石墨烯的宽带光吸收特性，基于石墨烯-铌酸锂薄膜波导结构，实现一种宽带的片上模式滤波器件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，解决了现有波分复用器件中光波导的模式串扰问题。
6.本发明采用的技术方案如下：一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
7.进一步地，所述基模滤波器的石墨烯数量为1，所述一阶模滤波器中的石墨烯数量为2。
8.进一步地，所述一阶模滤波器中所述石墨烯以所述聚甲基丙烯酸甲酯波导中心线为轴成轴对称分布。
9.进一步地，所述基模滤波器中所述石墨烯的宽度小于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的宽度。
10.进一步地，所述一阶模滤波器中所述石墨烯的宽度小于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导宽度的1/2，且所述石墨烯设置于靠近所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的侧边。
11.进一步地，所述石墨烯为矩形，所述石墨烯的厚度为0.34nm。
12.进一步地，所述基模滤波器中所述石墨烯的宽度为300nm-1μm，所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的厚度为500nm。
13.进一步地，所述一阶模滤波器中所述石墨烯的宽度为300nm，相邻所述石墨烯的间距为3.5μm
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6μm，所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的厚度为1μm。
14.进一步地，所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的宽度为2μm-4.5μm。
15.进一步地，所述铌酸锂薄膜的铌酸锂层厚度为300nm，晶体切向为x切。
16.进一步地，所述二氧化硅层的厚度为2μm。
17.进一步地，所述硅衬底层厚度为0.5mm。
18.本发明的有益效果是：本发明一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，具有结构紧凑、宽带滤波以及高模式消光比的特性，满足集成光子学模式复用器件中的实际滤波使用需求。
附图说明
19.图1是本发明基模滤波器的结构示意图；图2是本发明一阶模滤波器的结构示意图；图3是本发明基模滤波器的波导截面示意图；图4是本发明一阶模滤波器的波导截面示意图；图5是本发明基模滤波器在1550nm工作波长时的基模、一阶模衰减系数；图6是本发明一阶模滤波器在1550nm工作波长时的基模、一阶模衰减系数；附图标记说明1-二氧化硅层，2-铌酸锂薄膜，3-聚甲基丙烯酸甲酯波导，4-石墨烯，5-硅衬底层。
具体实施方式
20.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.见图1和图3所示，基模滤波器包括自下而上依次设置的硅衬底层5、二氧化硅层1、铌酸锂薄膜2、石墨烯4和聚甲基丙烯酸甲酯波导3，所述石墨烯4设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的中心，所述石墨烯4的宽度小于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的宽度，这里的宽度指所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的和所述石墨烯4的窄边长度，所述石墨烯4为矩形，所述石墨烯4的厚度为0.34nm，所述石墨烯4的宽度为300nm-1μm，所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的厚度为500nm，宽度为2μm-4.5μm，所述铌酸锂薄膜2的厚度为300nm，晶体切向为x切，所述二氧化硅层1的厚度为2μm，所述硅衬底层5厚度为0.5mm。
22.见图2和图4所示，一阶模滤波器包括自下而上依次设置的硅衬底层5、二氧化硅层
1、铌酸锂薄膜2、石墨烯4和聚甲基丙烯酸甲酯波导3，所述石墨烯4设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的中心线为轴成轴对称分布，所述石墨烯4的宽度小于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3宽度的1/2，这里的宽度指所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的和所述石墨烯4的窄边长度，且所述石墨烯4设置于靠近所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的侧边，所述石墨烯4为矩形，所述石墨烯4的厚度为0.34nm，所述石墨烯4的宽度为300nm，相邻所述石墨烯4的间距为3.5μm
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6μm，所述聚甲基丙烯酸甲酯波导3的厚度为1μm，宽度为2μm-4.5μm，所述铌酸锂薄膜2的厚度为300nm，晶体切向为x切，所述二氧化硅层1的厚度为2μm，所述硅衬底层5厚度为0.5mm。
23.实施例1一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器。
24.基模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为500nm，宽度为2μm。
25.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与基模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过基模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
26.实施例2一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器。
27.基模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为500nm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为500nm，宽度为2.5μm。
28.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与基模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过基模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
29.实施例3一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器。
30.基模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为
300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为600nm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为500nm，宽度为3μm。
31.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与基模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过基模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
32.实施例4一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器。
33.基模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为800nm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为500nm，宽度为3.5μm。
34.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与基模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过基模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
35.实施例5一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器。
36.基模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为1000nm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为500nm，宽度为4μm。
37.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与基模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过基模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
38.实施例6一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的中心位置为基模滤波器。
39.基模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为
300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为1000nm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为500nm，宽度为4.5μm。
40.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与基模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过基模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
41.对实施例1-实施例6中基模滤波器的参数汇总见表1所示。
42.表1实施例1-实施例6的基模滤波器对实施例1-实施例6经过基模滤波器的输出光功率和经过参考波导的输出光功率进行对比，得到基模滤波器中不同阶数模式的衰减常数数值，如图5所示。
43.由此可见基模滤波器随着石墨烯宽度变大以及聚甲基丙烯酸甲酯波导宽度的变大使得衰减常数数值变大，因此在基模滤波、一阶模滤波时都可以实现很好的滤波功能。
44.实施例7一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
45.一阶模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，相邻石墨烯的间距为4μm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为1μm，宽度为2μm。
46.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与一阶模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过一阶模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦
合、探测方式。
47.实施例8一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
48.一阶模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，相邻石墨烯的间距为3.5μm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为1μm，宽度为2.5μm。
49.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与一阶模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过一阶模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
50.实施例9一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
51.一阶模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，相邻石墨烯的间距为5μm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为1μm，宽度为3μm。
52.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与一阶模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过一阶模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
53.实施例10一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
54.一阶模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，相邻石墨烯的间距为5.5μm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为1μm，宽度为3.5μm。
55.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与一阶模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过一阶模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦
合、探测方式。
56.实施例11一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
57.一阶模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，相邻石墨烯的间距为6μm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为1μm，宽度为4μm。
58.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与一阶模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过一阶模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
59.实施例12一种基于石墨烯的铌酸锂薄膜宽带模式滤波器，包括自下而上依次设置的硅衬底层、二氧化硅层、铌酸锂薄膜、石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯波导；所述石墨烯设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯波导的边缘位置为一阶模滤波器。
60.一阶模滤波器中硅衬底层厚度为0.5nm，二氧化硅层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为300nm，铌酸锂薄膜晶体切向为x切，石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯宽度为300nm，相邻石墨烯的间距为6μm，聚甲基丙烯酸甲酯波导厚度为1μm，宽度为4.5μm。
61.以1550nm光传输为例：光源为1550nm波段可调光纤激光器，激光器输出光纤经过偏振控制器，通过法兰盘与拉锥光纤连接，拉锥光纤与一阶模滤波器的波导进行水平耦合，通过调整光纤与波导端面的相对位置实现不同阶数模式的激发，光经过一阶模滤波器后从波导后端面输出，在波导后端面放置非球面透镜进行输出光准直，利用光功率计进行功率探测，利用ccd进行光场模式分析。设置不含石墨烯的直波导作为参考波导，采用同样的耦合、探测方式。
62.对实施例7-实施例12中一阶模滤波器的参数汇总见表2所示。
63.表2实施例7-实施例12的一阶模滤波器
对实施例7-实施例12经过基模滤波器的输出光功率和经过参考波导的输出光功率进行对比，得到基模滤波器中不同阶数模式的衰减常数数值，如图6所示。
64.由此可见一阶模滤波器随着相邻石墨烯的间距变大以及聚甲基丙烯酸甲酯波导宽度的变大使得衰减常数数值变大，因此在基模滤波、一阶模滤波时都可以实现很好的滤波功能。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。