[發明專利]一種基于高縱橫比波導的二維材料電光調制器

在審

• 申請號: 202110382361.7
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113093408A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 王俊嘉;繆庭;孫小菡;董納;樊鶴紅;柏寧豐;劉旭;沈長圣
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02F1/025
• 分類號: G02F1/025
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明公開發明了基于高縱橫比波導的二維材料電光調制器。自下而上依次包括襯底層、硅光波導、電介質填充層、第一二維材料層、第二二維材料層，還包括第一金屬層、第二金屬層。第一金屬層與第二金屬層分別沉積在第一二維材料層上方靠右側和第二二維材料層上方靠左側。第一二維材料層與第二二維材料層僅在硅光波導上方重疊，以增強二維材料與光的相互作用，用來提高調制效率和速率。硅光波導使用波導寬度遠超厚度的高縱橫比幾何結構，通過遏制側壁色散使平面波導損耗最小化，并在對二維材料的耦合效果以及相位調制幅度等方面較傳統二維材料調制器有極大提高。

技術領域

本發明涉及一種基于二維材料電光調制器。

背景技術

硅基光電子技術因其高密度集成、大帶寬、高傳輸速率及抗干擾的優點，且與傳統的CMOS工藝兼容等優勢成為了業界普遍認可的光互聯技術中最有發展潛力的關鍵技術。光調制器作為光互聯技術中的核心器件，具有重要的研究意義。傳統二維材料嵌入式調制器的光被限制在芯層中傳輸，調制器通過對芯層兩側電極施加不斷變化的電壓來改變二維材料的物理性質諸如費米能級、折射率等，從而達到調制二維材料層下方波導層中光波的目的。利用漸逝波耦合等耦合方法，二維材料附著在硅層上對光波進行調制。由于電壓不斷變化，調制器的吸收與相位隨之發生改變，其中吸收和相位的變化大小反映了二維材料與光場耦合的效果，吸收和相位變化越大說明耦合效果越好。對于相位調制器而言，更希望相位的改變幅度較大而吸收量較小。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種基于高縱橫比波導的二維材料集成電光調制器，利用高縱橫比波導結構集成二維材料，提高二維材料性能，整型光場形狀，增強二維材料和光場的相互作用。

技術方案：一種基于高縱橫比波導的二維材料電光調制器，包括襯底層、硅光波導、電介質填充層、第一二維材料層、第二二維材料層、第一金屬層、第二金屬層；

所述硅光波導結構掩埋在襯底層上，硅光波導為高縱橫比波導結構；在所述硅光波導及襯底層上覆蓋第一二維材料層，所述電介質填充層沉積在所述第一二維材料層上，在所述電介質填充層上覆蓋第二二維材料層，所述第一二維材料層與第二二維材料層僅在所述硅光波導上方重疊，所述第一金屬層與第二金屬層分別沉積在所述第一二維材料層上方靠右側和所述第二二維材料層上方靠左側，在所述第二二維材料層上繼續沉積電介質，并與所述電介質填充層形成整體結構。

進一步的，所述第一二維材料層和第二二維材料層采用的二維平面材料為石墨烯或過渡金屬硫化物。

進一步的，位于所述第一二維材料層和第二二維材料層中間的所述電介質填充層部分材料為氧化鉿或氧化鋁。

進一步的，所述硅光波導滿足單模工作條件，縱橫比10:1；所述硅光波導滿足截止條件，波導中的傳播模式截止。

有益效果：相較于現有技術，本發明具有如下優點：

(1)高耦合效率：利用高縱橫比波導集成二維材料的調制器結構，在普通波導漸逝波耦合基礎上，對模場形狀進行整型，使光場跟二維材料層重合度更高，從而有效加強了二維材料層與光場的耦合效果。二維材料以石墨烯為例，耦合效率超出傳統二維材料調制器兩倍以上。

(2)高相移幅度：利用高縱橫比波導集成二維材料的調制器結構，在普通波導漸逝波耦合基礎上，對模場形狀進行整形，使光場跟二維材料層重合度更高，在一定電壓區間內，基于高縱橫比波導的二維材料電光調制器的相移幅度較傳統二維材料調制器有極大提升。二維材料以石墨烯為例，相移幅度接近傳統二維材料調制器的兩倍。

(3)超低傳輸損耗：高縱橫比波導使用波導寬度遠超厚度的高縱橫比幾何結構，通過遏制側壁色散使平面波導損耗最小化，尤其是在彎曲的情況下，損耗較傳統二維材料調制器極低。

(4)高密度集成：由于高縱橫比波導傳輸損耗低且對光場有較強限制作用，二維材料與光場的相互作用得到有效提升，從而減少調制器尺寸，提高器件集成度。

附圖說明