[發明專利]基于石墨烯?二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的M?Z電光調制器

在審

• 申請號: 201710409585.6
• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN107037613A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 陸榮國;張向秀;劉天良;杜瑋;楊忠華;田朝輝;劉永
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035;G02F1/03
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司51230
• 代理人: 徐金瓊,劉東

技術領域

本發明屬于光電子器件技術領域，具體涉及一種一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的M-Z電光調制器。

背景技術

光調制器是光通信系統中的關鍵器件，其性能的優劣直接影響著光信號的傳輸質量和系統的穩定性。M-Z電光調制器是一種采用干涉儀結構的外調制器，通過對參考臂和調制臂施加不同電壓，改變光波相位，使得光波在輸出端發生干涉相長或相消，從而將相位變化轉變為光強變化，實現強度調制。光柵是指光學參量或空間結構分布具有周期性變化的衍射系統，可以對光進行反射、折射、干涉和衍射。傳統的光柵是在材料表面通過光刻形成永久性刻槽，因此諧振波長固定。為了滿足高速大容量光通信的要求，可調諧光柵的研究成為熱點。大部分硅基可調諧光柵都是利用硅的熱光效應和載流子色散效應，但是硅的熱光效應對光信號的響應速度慢，載流子色散效應較弱，諧振波長改變量較小。

石墨烯是排列成二維密集蜂窩狀晶格結構的碳原子單層，單層石墨烯的吸收率為2.3％，可用作光吸收材料。石墨烯還具有特殊的零帶隙能帶結構，使傳遞電子的速率比已知導體都快，接近光速的1/300；電阻率只有約10^-6Ω·cm，是已知的電阻率最小的材料；載流子遷移率高達200000cm²/(V·s)，這為制備高速電光調制器提供了可能性。石墨烯的有效折射率受外加電場的調控，利用其電致折射效應，一方面可以用于改變光柵的諧振波長；另一方面可以加到M-Z電光調制器的兩臂上，改變光波相位，進而改變輸出光的光強。

二硫化鉬是過渡金屬硫化物中的一種，分子為X-M-X夾心結構，層內作用力為共價鍵，層間相互作用為弱的范德華力。單層二硫化鉬是禁帶寬度為1.9eV的直接帶隙材料，具有良好的電子遷移率，約為700cm²/(V·s)，開關比高達108。電學和光學特性優異。

以上方案也存在問題：(1)傳統的M-Z干涉儀多采用電光效應，尺寸較大，調制深度差，消光比小，不便于集成，溫度容差小；(2)利用熱光效應和載流子色散效應制成的可調諧光柵的性能不能很好地滿足高速大容量光通信系統的要求；(3)基于石墨烯的M-Z電光調制器的設計是將多層石墨烯直接嵌入到脊波導中，有效折射率的變化較小，制作工藝復雜。

發明內容

本發明為了克服現有技術尺寸大不便于集成、調制深度差、消光比小、溫度容差小的難題，提供了一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的M-Z電光調制器。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種基于石墨烯-二硫化鉬異質結的帶可調諧光柵的M-Z電光調制器，包括襯底層、嵌設在襯底層內依次相連接的輸入輸出可調諧光柵、輸入輸出直光波導、S彎曲型Y分支波導和兩臂直光波導，所述輸入輸出可調諧光柵、輸入輸出直光波導、S彎曲型Y分支波導和兩臂直光波導的波導上表面與襯底層的上表面在同一平面上，所述兩臂直光波導上設置有第一石墨烯覆蓋層，第一石墨烯覆蓋層包括從下到上依次設置的第二石墨烯層、二硫化鉬和第一石墨烯層，第二石墨烯層上連接的第二電極，第一石墨烯層上連接的第一電極和第三電極，第一電極和第三電極未接觸，所述輸入輸出可調諧光柵設置有第二石墨烯覆蓋層，第二石墨烯覆蓋層包括從下到上依次設置的第四石墨烯層、氮化硼隔離層和第三石墨烯層，設置在第四石墨烯層上的第五電極和設置在第三石墨烯層上的第四電極,其中，第三石墨烯層和第四石墨烯層均為叉指電極結構。

所述第一石墨烯覆蓋層上的第一石墨烯層和第二石墨烯層被二硫化鉬隔開構成異質結。

所述兩臂直光波導包括參考臂和調制臂，所述第一石墨烯層從參考臂和調制臂向外延伸，并分別與參考臂上的第一電極和調制臂第三電極相連接，所述第二石墨烯層覆蓋在參考臂和調制臂上，并與設在參考臂和調制臂中間的第二電極相連接。

所述輸入輸出可調諧光柵的波導結構為掩埋型波導，第三石墨烯層向外延伸并連接到第四電極，第四石墨烯層向外延伸并連接到第五電極。

所述M-Z調制器的分支波導為S彎曲型Y分支波導。

所述襯底層的材料為二氧化硅。

所述輸入輸出可調諧光柵、輸入輸出直光波導、S彎曲型Y分支波導、兩臂直光波導的波導材料均為氮化硅。

所述第一電極、第二電極、第三電極、第四電極和第五電極的材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的任意一種或者任意兩種以上的合金。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、用氮化硅作為波導材料，具有超低的光損耗和較低的熱光系數，插入損耗小，對環境溫度的容忍度大。