[實用新型]一種基于石墨烯電吸收特性的微環光開關

有效

• 申請號: 201220191664.7
• 申請日: 2012-05-02
• 公開（公告）號: CN202548464U
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 楊龍志;胡挺;沈奧;邱晨;喻平;周強;江曉清;楊建義
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本實用新型涉及一種微環光開關，特別涉及一種基于石墨烯電吸收特性的微環光開關。

背景技術

光開關作為信道切換裝置，在下一代光通信網絡中扮演重要的作用。人們利用各種不同的結構，已經成功研制了多種光開關。光開關的實現原理非常多，對于應用于寬帶光空分交換功能的光開關，通過利用材料的折射率變化，采用Y分支器結構、Mach-Zehder結構或是定向耦合器結構來實現；近年來，隨著硅基光子技術的發展，微環結構廣泛應用，通過利用諧振波長的移動實現波長選擇型光空分開關功能。但是隨著信息數據量爆炸式的與日俱增，傳統的光學開關切換速度已經漸漸無法滿足人們的信息交換需求，人們迫切需要利用新材料、新技術制造具有更快的信道切換速度的光開關。同時，傳統的光學非自持式開關在切換信道時需要消耗不少的能量，這一缺陷在國家節能減排的戰略目標下也亟待彌補。

近年來，石墨烯這種具有良好電學、光學特性的材料得到業界越來越多的的關注，人們紛紛嘗試將其應用到光學元器件的制作上來。對于形成電容結構的石墨烯材料，在不同的外加電壓下會具有不同的載流子濃度，這樣的結構對于在硅波導當中傳輸的光信號有不同的吸收效率。對于這種吸收效應應用于光開關設計，無法采用傳統折射率變化的光學結構獲得光空分交換功能。利用石墨烯本身具有極高電子遷移率這一特性，能夠制造出速度極快、功耗較低的新型微環光開關，在下一代大容量光通信系統中具有很好的應用前景。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種基于石墨烯電吸收特性的微環光開關，可以實現超高信道切換速度和低開關電壓。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：

包括光微環、兩條耦合波導和石墨烯電容結構層；兩條耦合波導放置在光微環的兩側，石墨烯電容結構層覆蓋在光微環上，光微環、兩條耦合波導、石墨烯電容結構層均在同一水平面上；兩條耦合波導中的任意一條耦合波導的一端為輸入端，另一端為直接輸出端，另一條耦合波導與輸入端對應的一端為下載端，輸入端與輸入波導相連接，直接輸出端和下載端分別與各自輸出波導相連接。

所述的石墨烯電容結構層包括第一層石墨烯、絕緣物質和第二層石墨烯；在石墨烯電容結構層與光微環的覆蓋交界處，第一層石墨烯覆蓋在光微環上，絕緣物質覆蓋在第一層石墨烯上，第二層石墨烯覆蓋在絕緣物質上，第一層石墨烯和第二層石墨烯延伸端分別與電極的兩極相連。

所述的石墨烯電容結構層包括第一層石墨烯、絕緣物質和透明電極；在石墨烯電容結構層與光微環的覆蓋交界處，第一層石墨烯覆蓋在光微環上，絕緣物質覆蓋在第一層石墨烯上，透明電極覆蓋在絕緣物質上，第一層石墨烯延伸端和透明電極分別與電極的兩極相連。

所述的光微環、兩條耦合波導和石墨烯電容結構層均放置在摻雜硅襯底上，石墨烯電容結構層包括絕緣物質和第一層石墨烯；在石墨烯電容結構層與光微環的覆蓋交界處，絕緣物質覆蓋在光微環上，第一層石墨烯覆蓋在絕緣物質上，第一層石墨烯延伸端和摻雜硅襯底分別與電極的兩極相連。

所述的光微環為任意閉環形狀。

所述的石墨烯電容結構層覆蓋在整體或者局部的光微環上。

本實用新型具有的有益的效果是：

本實用新型提出利用微環在不同損耗特性下的諧振與失振狀態來實現光空分開關功能。不加驅動電壓時，石墨烯會對光子產生十分明顯的吸收效果，微環因此無法對光信號產生諧振，進入失振狀態，光信號將從直接輸出端進入其中一個輸出波導；適當增加驅動電壓，當石墨烯對光子的吸收不明顯時，硅基微環處于諧振狀，能與耦合波導發生良好的耦合，光信號經過微環從下載端進入另一個輸出波導。依據這種原理，就可以通過改變外加電壓來改變光信號的輸出方向，實現光開關的效果。利用石墨烯所具有的高電子遷移率特性，可以實現THz級別的光信道切換速度，遠超于當前GHz級別的普通電光、熱光開關，非常適合應用于下一代大容量光通信網絡；石墨烯大的吸收系數變化，可以實現低開關電壓；采用最基本的硅基微環結構，可以用平面集成光波導工藝制作，具有良好的CMOS工藝兼容性，具有大規模生產的潛力。并且其所需施加的工作電壓很低，節能環保。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構圖。

圖2是光微環、兩條耦合波導和石墨烯電容結構層均放置在摻雜硅襯底上的結構圖。

圖3是本實用新型在石墨烯電容結構層與光微環的覆蓋交界處的第一種截面示意圖。

圖4是本實用新型在石墨烯電容結構層與光微環的覆蓋交界處的第二種截面示意圖。

圖5是本實用新型在石墨烯電容結構層與光微環的覆蓋交界處的第三種截面示意圖。