[發明專利]基于石墨烯-硅混合集成光波導的電光半加器

在審

• 申請號: 201810788008.7
• 申請日: 2018-07-18
• 公開（公告）號: CN108983444A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 陳偉偉;張杰;汪鵬君;李仕琪;丁健;楊建義
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03;G02F1/035;G02F3/00
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙) 33226
• 代理人: 方小惠

本發明公開了一種基于石墨烯?硅混合集成光波導的電光半加器，包括三個光開關，光開關包括兩個3dB耦合器、兩個相移臂和三個電極，相移臂包括絕緣層、第一矩形波導、第二矩形波導和調節層，第一矩形波導、調節層和第二矩形波導按照從上到下的順序排列，調節層由九個二氧化鉿層和八個石墨烯層交叉層疊形成；優點是通過改變八個石墨烯層的費米能級改變第一矩形波導和第二矩形波導的有效折射率，減小第一相移臂和第二相移臂的長度，使得整個電光半加器的面積相對較小，便于級聯擴展，另外由于一個二氧化鉿層和與其相鄰的兩個石墨烯層之間形成一個平板電容模型，電容僅在充放電的過程中消耗電能且不會持續的產生電能消耗，使得器件功耗較小。

技術領域

本發明涉及一種電光半加器，尤其是涉及一種基于石墨烯-硅混合集成光波導的電光半加器。

背景技術

隨著云計算和大數據等信息業務的蓬勃發展，如何實現高效的數據交換與數據處理成為了當前的關鍵問題。傳統硅基電子技術在超高速率、功耗和帶寬等方面的發展遇到了瓶頸。光器件具有高速、大容量、超低功耗及并行的內在特性，為理想的信息載體。硅基光子器件具有與互補金屬氧化物半導體(Complement ary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工藝相兼容的特點，因此，硅基光子技術作為目前的優勢技術，可為解決這一關鍵問題提供有效的手段。

現有的光邏輯器件可分為三種：全光邏輯器件、熱光邏輯器件和電光邏輯器件。全光邏輯器件通過利用硅材料中的非線性效應，譬如雙光子吸收以及四波混頻等效應，控制光信號輸出，實現特定的邏輯功能。雖然全光邏輯器件具有超高速度，但其需要較強的泵浦光誘發硅材料中的非線性效應，不利于后續集成。熱光邏輯器件通過利用硅材料中的熱光效應，改變模式有效折射率，可完成與/與非、或/或非、異或/同或和半加器等邏輯操作，但該類型器件速度一般處于微秒量級，遠不能滿足未來高速光信號處理的要求。而電光邏輯器件，相對全光邏輯器件和熱光邏輯器件而言，既可考慮速度的需求，又易于實現集成化，是目前研究最為廣泛的一種光邏輯器件。

目前，電光邏輯器件主要是有兩類，第一類采用硅基微環結構，利用載流子色散效應來實現邏輯功能，但是該類電光邏輯器件的帶寬易受限，第二類采用馬赫-曾德爾干涉結構來實現邏輯功能，馬赫-曾德爾干涉結構具有大容差和寬帶大等特性。電光半加器作為當前使用廣泛的一種電光邏輯器件，其通常使用馬赫-曾德爾干涉結構實現，馬赫-曾德爾干涉結構中的干涉臂為使用電光材料制備的光波導，在馬赫-曾德爾干涉臂上施加電壓使其自身折射率發生變化從而實現半加器的功能。但是，該電光半加器需要施加很強的外電場才能改變馬赫-曾德爾干涉臂的折射率變化，由此其功耗較大且所占面積相對較大，不利于級聯擴展。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于石墨烯-硅混合集成光波導的電光半加器，該電光半加器功耗較小，所占面積較小，利于級聯擴展。