一种可调谐硅基微环滤波器制造技术

本发明专利技术公开了一种可调谐硅基微环滤波器，包括：直波导、二氧化硅层以及设置在二氧化硅层上的混合微环；混合微环包括混合波导和纯硅波导；混合波导包括：从上到下依次设置的石墨烯层、介电层、硅层和二氧化硅层；且在所述石墨烯层上分布有上电极，在所述硅层上分布有下电极，所述上电极和所述下电极均与外部的电源相连，通过在上电极和所述下电极之间施加电压，改变原子层内载流子的浓度，改变石墨烯的材料折射率，使得所述可调谐硅基微环滤波器的输出谐振波长发生改变，实现可调谐滤波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤通信领域与集成光子学领域，具体涉及一种可调谐硅基微环滤波器。
技术介绍
光通信是现代信息、传输最重要的方式之一，正朝着超高速、大容量、大宽带、长距离、低成本的方向前进。可调谐光滤波器在光纤通信系统中有着极为重要的应用，它可以用作激光器的反射腔镜、复用/解复用器、波长选择器、色散补偿器、延时器等。基于硅基材料的微环结构具有集成度高、制造工艺兼容CMOS、稳定性好、非线性系数高等特点，适用制造可调谐滤波器。传统硅基可调谐滤波器主要利用硅材料的热效应、外接环形腔(波导环形腔、光纤环)等方式、调节偏振-损耗关系等方式，实现改变滤波器中心波长的目的。石墨烯等二维材料的出现，给硅基器件的进一步发展带来了可能。石墨烯具有电致折射率调谐范围大、损耗可控、电调谐速率快、带宽宽、导热性能优异、支持光致折射率调谐等优势。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种可调谐硅基微环滤波器，旨在解决现有的微环滤波器的输出端波长不可调的问题。本专利技术提供了一种可调谐硅基微环滤波器，包括：直波导、二氧化硅层以及设置在二氧化硅层上的混合微环；混合微环包括混合波导和纯硅波导；所述混合波导包括：从上到下依次设置的石墨烯层、介电层、硅层和二氧化硅层；且在所述石墨烯层上分布有上电极，在所述硅层上分布有下电极，所述上电极和所述下电极均与外部的电源相连，通过在所述上电极和所述下电极之间施加电压，改变原子层内载流子的浓度，改变石墨烯的材料折射率，使得所述可调谐硅基微环滤波器的输出谐振波长发生改变，实现可调谐滤波。混合波导与纯硅波导的高度相同，上下表面均平齐，两者构成一个完整的微环。更进一步地，纯硅波导与所述直波导的截面结构一致；均包括：从上到下依次设置的硅层和二氧化硅层。更进一步地，所述可调谐硅基微环滤波器的输出谐振波长满足如下关系：neff1·L1+neff2·L2＝mλ；其中，neff1为混合波导的等效折射率，L1为混合波导的长度，neff2纯硅波导的等效折射率，L2为纯硅波导的长度，L1+L2＝2πR，R为微环的半径，m为一常数，λ为输出谐振波长。更进一步地，所述微环半径满足2um≤R≤300um。微环半径过小，波导的弯曲损耗较大，且对加工精度要求较高；微环半径过大时，相邻两谐振波长间隔极小，用作滤波器，将同时滤出多个间隔极窄的波长，不易将他们区分开。更进一步地，所述混合波导的长度满足：0＜L1≤2πR。由于本专利技术提出的微环滤波器是基于调控混合波导折射率的原理提出的，因而其长度应当大于0，当整个微环均由混合波导构成时，满足L1＝2πR。更进一步地，所述混合波导和所述纯硅波导均为脊型结构，且宽度满足450nm≤W1≤800nm，600nm≤W2≤1000nm。当W1、W2的取值过小时，波导的传输损耗较大；当W1、W2的取值过大时，脊型波导中将出现除了基模之外的其他传输模式，这将会引入新的谐振峰，且使得所需要的基模谐振峰透射率降低。更进一步地，所述混合波导中硅层的高度满足150nm≤h1≤400nm，20nm≤h2≤70nm；所述混合波导中介电层的厚度为3nm≤h3≤100nm。与W1、W2的取值类似，h1、h2的取值保证了波导工作在基模条件下；h3过小，将增加工艺控制难度，h3过大，则用于调控石墨烯材料折射率的电压将变大，能耗增加。更进一步地，所述石墨烯层的厚度为0.34nm。更进一步地，上电极和所述下电极的尺寸相同，水平方向为正方形，且尺寸满足50um≤W3≤500um，厚度满足5nm≤h4≤50nm。电极尺寸过小，注入电压时，探针不易确定电极位置；电极尺寸过大，则会增加整个器件尺寸，不利于器件集成。电极过薄，对电极蒸镀的控制要求较高，电极过厚，则整个结构电阻增加，调控速率降低。在本专利技术中，作为一种二维材料，石墨烯将自由电子束缚在单原子层内。因此石墨烯平面内，自由电子的态密度非常低，且石墨烯对电子的束缚能力远小于各种三维材料。载流子浓度轻微的变化就能引起石墨烯材料特性的重大变化，如材料折射率。因此，可以通过对石墨烯施加驱动电压，改变原子层内载流子的浓度，从而影响石墨烯的折射率。如图4所示，石墨烯的电致折射率实部调谐率可达到1.5/V。通过与微环结构结合，将能够在较大范围内对微环出射波长进行调谐。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将利用了石墨烯在外加电压条件下，材料折射率改变范围大，响应灵敏的特点，能够取得在较大范围内对微环滤波器出射波长进行调谐的有益效果。附图说明图1为本专利技术实施例提供的石墨烯-硅微环滤波器的俯视图；图2为本专利技术实施例提供的石墨烯-硅微环中混合波导的截面图；图3为本专利技术实施例提供的石墨烯-硅微环中纯硅波导和、直波导的截面图；图4为本专利技术提供的石墨烯材料折射率的实部值、虚部值随控制电压的关系曲线示意图；图5为本专利技术提供的波导等效折射率与控制电压的关系曲线示意图；图6为本专利技术提供的不同外接电压下，石墨烯-硅微环的透射率曲线示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术在硅基微环中引入二维材料石墨烯，通过外加控制电压的方式，改变石墨烯的材料折射率，从而引起整个微环的输出谐振波长发生改变，实现可调谐滤波。本专利技术提出了一种可调谐硅基微环滤波器，通过控制外接电压的大小，改变硅基微环上石墨烯的材料折射率，从而实现对微环输出波长的调节。硅基微环的输出谐振波长满足如下关系：neff·2πR＝mλ……(1)；式中，neff为微环波导的等效折射率，R为微环的半径，m为一常数，λ为输出谐振波长。可以看出，当neff发生变化，输出波长随之发生移动。作为一种二维材料，石墨烯将自由电子紧紧地束缚在单原子层内，因此石墨烯平面内，自由电子的态密度非常低。载流子浓度轻微的变化就能引起费米能级的重大变化，从而引起光学常数的改变。因此，可以通过对石墨烯施加外加电压，改变原子层内载流子的浓度，从而影响石墨烯的材料特性。图1为本专利技术的一种石墨烯-硅微环滤波器俯视图，图2为本专利技术的一种石墨烯-硅微环中混合波导的截面图，图3为本专利技术的一种石墨烯-硅微环中纯硅波导、直波导的截面图。整个微环滤波器由二氧化硅层14上的石墨烯-硅微环与直波导13组成。光从直波导13输入，耦合进微环中发生谐振，再由波导13输出。混合微环由两部分组成：混合波导11，纯硅波导12。直波导13与纯硅波导12的截面结构一致。混合波导11的结构从上到下依次为：石墨烯层15、介电层16、硅层17、二氧化硅层14。石墨烯层上分布有上电极18，硅层上分布有下电极19，两电极与电源相连，用于调控石墨烯的材料折射率。纯硅波导12、直波导13的结构从上到下依次为：硅层和二氧化硅层；硅层的折射率3.47，二氧化硅层的折射率1.45，两者共同构成了光的传输介质波导。硅、二氧化硅折射率的差异使得光被紧紧地束缚在硅层中，减小了光场的有效模场面积，有效增强了外加电压对光场的调控能力。此时，石墨烯-硅微环的输出波长由以下公式决定：neff1·L1+neff2·L2＝mλ……(2)；式中，neff1为混合波导的等效折射率，L1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调谐硅基微环滤波器，其特征在于，包括：直波导(13)、附着于所述直波导(13)上的二氧化硅层(14)、以及设置在所述二氧化硅层(14)表面上的混合微环；所述混合微环包括混合波导(11)和纯硅波导(12)；所述混合波导(11)包括：从上到下依次设置的石墨烯层(15)、介电层(16)、硅层(17)和二氧化硅层(14)；且在所述石墨烯层(15)上分布有上电极(18)，在所述硅层(17)上分布有下电极(19)，所述上电极(18)和所述下电极(19)均与外部的电源相连，通过在所述上电极(18)和所述下电极(19)之间施加电压，改变原子层内载流子的浓度，改变石墨烯的材料折射率，使得所述可调谐硅基微环滤波器的输出谐振波长发生改变，实现可调谐滤波。

【技术特征摘要】
1.一种可调谐硅基微环滤波器，其特征在于，包括：直波导(13)、附着于所述直波导(13)上的二氧化硅层(14)、以及设置在所述二氧化硅层(14)表面上的混合微环；所述混合微环包括混合波导(11)和纯硅波导(12)；所述混合波导(11)包括：从上到下依次设置的石墨烯层(15)、介电层(16)、硅层(17)和二氧化硅层(14)；且在所述石墨烯层(15)上分布有上电极(18)，在所述硅层(17)上分布有下电极(19)，所述上电极(18)和所述下电极(19)均与外部的电源相连，通过在所述上电极(18)和所述下电极(19)之间施加电压，改变原子层内载流子的浓度，改变石墨烯的材料折射率，使得所述可调谐硅基微环滤波器的输出谐振波长发生改变，实现可调谐滤波。2.如权利要求1所述的可调谐硅基微环滤波器，其特征在于，所述纯硅波导(12)与所述直波导(13)的截面结构一致；均包括：从上到下依次设置的硅层和二氧化硅层。3.如权利要求1或2所述的可调谐硅基微环滤波器，其特征在于，所述可调谐硅基微环滤波器的输出谐振波长满足如下关系：neff1·L1+neff2·L2＝mλ；其中，neff1为混合波导的等效折射...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏明，周飞亚，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42