一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，属于集成光子器件技术领域，包括SOI衬底，以及在其上刻蚀的硅波导层、低折射率介质包层、单层石墨烯层、夹在单层石墨烯与硅波导之间的绝缘介质层以及金属纳米天线阵列层；单层石墨烯外接金属作为顶电极，薄层外延硅外接金属构成底电极；石墨烯层可在纳米天线阵列顶上也可在其与绝缘介质层之间。本实用新型专利技术基于红外波段石墨烯电可调特性以及金属纳米天线的局域电磁场谐振增强的特性实现了石墨烯与光的耦合增强，有望用于大型数据中心、物联网、云计算等领域。

An ultra compact graphene electrooptic modulator enhanced by metal nano antenna

【技术实现步骤摘要】
一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器
本技术属于集成光子器件
，具体涉及一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器。
技术介绍
与传统的电互联相比，光互联具有高速、低损耗以及超高带宽等优势。而紧凑高速的电光调制器则在光互联中扮演至关重要的作用。成熟的CMOS工艺以及优异的电学特性使硅材料在电子器件的应用中大放异彩，却在光子集成领域遇到障碍。如较低的等离子体色散等电光效应使其在电光调制器的应用就不尽理想，具体表现为调制深度低、工作频率窄、调制速率慢等。作为一种新型二维材料，石墨烯具有柔性好、强度高、极快地载流子迁移率以及可调的宽带吸波特性，使其有望用于高速宽带电光调制器。相比纯硅调制器，基于石墨烯的硅波导调制器在尺寸、能耗以及调制速率等指标已表现出良好的效果。但单原子的厚度以及各向异性的光学特性也使得石墨烯与光的耦合能力受限，更高的性能突破变得更有挑战。近年一些基于表面等离子激元(SPP)波导的石墨烯调制器，因为SPP波导提供优良的电磁场束缚，部分性能指标表现优异，但其依然无法忽视SPP波导传输以及耦合解耦所带来的较大插损。而本设计提出一种全新局域等离子(LSP)增强的调制方案，在不牺牲硅波导低损耗性能的前提下，通过在硅波导上引入金属纳米天线，极大地提高石墨烯和周边电磁场之间的耦合。
技术实现思路
技术目的：本技术的目的在于提供一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，不仅结构简单紧凑，而且能耗低，带宽大，调制效率高。本技术所采用的具体技术方案如下：一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，包括自下而上依次设置的衬底，以及在衬底上刻蚀的硅波导层和低折射率介质覆盖层，在所述的硅波导层上设置单层石墨烯层，在所述的单层石墨烯层与硅波导层之间设置充当两电极电容的绝缘介质层，在单层石墨烯层的上方或者下方设置金属纳米天线阵列层用以提供局域等离子谐振。进一步地，所述的金属纳米天线阵列层为金属纳米条带天线阵。进一步地，所述的硅波导层厚度为220到340纳米，宽度为300到600纳米。220纳米的厚度可供TE模式在硅波导传输，更大的厚度如340纳米可提供TM模式的调制器光模式输出。进一步地，所述的单层石墨烯层外接金属电极作为顶电极，所述的硅波导层连接的薄层硅延伸层与沉积的底层金属电极构成底电极。进一步地，所述的薄层硅延伸层厚度小于100纳米。进一步地，所述的衬底为包含有Handle层以及BOX层的SOI衬底。BOX层为厚的氧化硅层用于隔离上下硅层之间的耦合或串扰。进一步地，所述的BOX层的厚度大于1微米。较窄的波导宽度提供小的器件结构，另外，因其为波导电极一部分，小尺寸也将减低器件开关电容，显著降低器件的能耗以及增强器件的调制速率。低折射率介质包层可以是氧化硅或空气等折射率低于波导的介质。绝缘介质层可以是氧化铝、氧化硅或六方氮化硼等绝缘薄膜材料等。硅波导的材质为低掺杂硅，可以降低波导引入的掺杂损耗以及器件的插损；薄层的硅延伸部分为重掺杂以降低电极输入阻抗，提高器件调制速率。所述的金属纳米天线阵列层为金属纳米条带天线阵列，也可为其他可提供局域等离子谐振的纳米金属天线阵列，且天线个数不局限。所述的金属纳米天线阵列层材料为金、银等贵金属，也可以是铜、氮化钛、氮化锆等CMOS兼容的金属或合金。技术原理：本技术中，硅波导中传输的硅光在谐振频率附近时，将耦合到金属纳米天线，产生局域的等离子谐振增强。当电极被偏置时，不同偏置电压下的石墨烯的材料光折射率虚、实部对应发生变化，而因纳米天线存在导致的石墨烯与光的强耦合将使石墨烯材料光属性发生变化被放大，最终反应到器件上便是输出光强度发生改变，谐振频率被偏移。进而使得极小的器件尺寸便产生极好的调制性能。有益效果：与现有技术相比，本技术基于红外波段石墨烯电可调特性以及金属纳米天线的局域电磁场谐振增强的特性实现了石墨烯与光的耦合增强，最终实现可用于inter-/intra-chip应用的超紧凑硅光调制器，不仅工艺CMOS兼容、具备0.5fJ/bit以内的超低能耗、400GHz以上的调制带宽，有望用于海量数据传输、大型数据中心、高速片上/片间通信、物联网、云计算等领域。附图说明图1为实施的调制器结构的立体图；图2为实施的调制器结构的侧视图；图3为实施例1中的调制器结构的立体图；图4为实施例1中的调制器结构的侧视图；图5为实施例2中的调制器结构的立体图；图6为实施例2中的调制器结构的侧视图；图7为实施例1中的调制器在不同偏置电压下的传输谱；图8为实施例1中的调制器在宽带范围实现器件的导通/截止两状态以及对应的调制器性能指标。具体实施方式如图1-6所示，附图标记为：Handle层1、BOX层2、低折射率介质覆盖层3、硅波导层4、薄层硅延伸层5、底层金属电极6、绝缘介质层7、单层石墨烯层8及其连接金属电极9、金属纳米天线阵列层10、金属纳米条带天线阵11。一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，包括自下而上依次设置的衬底，以及在衬底上刻蚀的硅波导层4和低折射率介质覆盖层3，在硅波导层4上设置单层石墨烯层8，在单层石墨烯层8与硅波导层4之间设置充当两电极电容的绝缘介质层7，在单层石墨烯层8的上方或者下方设置金属纳米天线阵列层10用以提供局域等离子谐振。金属纳米天线阵列层10为金属纳米条带天线阵11。硅波导层4厚度为220到340纳米，宽度为300到600纳米。单层石墨烯层8外接金属电极9作为顶电极，硅波导层4连接的薄层硅延伸层5与沉积的底层金属电极6构成底电极。薄层硅延伸层5厚度小于100纳米。衬底为包含有Handle层1以及BOX层2的SOI衬底。BOX层2的厚度大于1微米。其制备大致过程如下：1)旋涂光刻胶(PR)(将SOIwafer切割清洗旋涂PR)；2)曝光+脊波导刻蚀(前烘后烘后刻蚀出带一定厚度薄层硅电极)；3)沉积或旋涂低折射率介质(用于硅波导表面的平坦化以方便石墨烯转移防边缘以及防石墨烯与硅波导侧壁短路断裂，并降低两电极间寄生电容)；4)沉积绝缘层(热蒸发、磁控溅射、原子层沉积或化学CVD等物理化学方法生长(或生长后转移)绝缘介质层7)；5)干法或湿法转移石墨烯(CVD或手撕石墨烯干法或湿法转移样品表面，并离子束刻蚀等技术对单层石墨烯层8成型)；6)沉积金属天线(离子束或电子束刻蚀+物理沉积薄层金属黏附层以及金属纳米天线阵列层10)。本技术中单层石墨烯层8和金属纳米天线阵列层10的生长或转移顺序可以颠倒。下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本技术。实施例1：如图3和图4所示结构的电光调制器，包括：Handle层1、BOX层2、低折射率介质覆盖层3、硅波导层4、薄层硅延伸层5、底层金属电极6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底，以及在衬底上刻蚀的硅波导层(4)和低折射率介质覆盖层(3)，在所述的硅波导层(4)上设置单层石墨烯层(8)，在所述的单层石墨烯层(8)与硅波导层(4)之间设置充当两电极电容的绝缘介质层(7)，在单层石墨烯层(8)的上方或者下方设置金属纳米天线阵列层(10)用以提供局域等离子谐振。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底，以及在衬底上刻蚀的硅波导层(4)和低折射率介质覆盖层(3)，在所述的硅波导层(4)上设置单层石墨烯层(8)，在所述的单层石墨烯层(8)与硅波导层(4)之间设置充当两电极电容的绝缘介质层(7)，在单层石墨烯层(8)的上方或者下方设置金属纳米天线阵列层(10)用以提供局域等离子谐振。


2.根据权利要求1所述的一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，其特征在于：所述的金属纳米天线阵列层(10)为金属纳米条带天线阵(11)。


3.根据权利要求1所述的一种金属纳米天线增强的超紧凑石墨烯电光调制器，其特征在于：所述的硅波导层(4)厚度为220到340纳米，宽度为300到600纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫兵，黄保虎，刘震国，张金，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32