[实用新型]一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种微环光开关，特别涉及一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关。

背景技术

光开关作为信道切换装置，在下一代光通信网络中扮演重要的作用。人们利用各种不同的结构，已经成功研制了多种光开关。光开关的实现原理非常多，对于应用于宽带光空分交换功能的光开关，通过利用材料的折射率变化，采用Y分支器结构、Mach-Zehder结构或是定向耦合器结构来实现；近年来，随着硅基光子技术的发展，微环结构广泛应用，通过利用谐振波长的移动实现波长选择型光空分开关功能。但是随着信息数据量爆炸式的与日俱增，传统的光学开关切换速度已经渐渐无法满足人们的信息交换需求，人们迫切需要利用新材料、新技术制造具有更快的信道切换速度的光开关。同时，传统的光学非自持式开关在切换信道时需要消耗不少的能量，这一缺陷在国家节能减排的战略目标下也亟待弥补。

近年来，石墨烯这种具有良好电学、光学特性的材料得到业界越来越多的的关注，人们纷纷尝试将其应用到光学元器件的制作上来。对于形成电容结构的石墨烯材料，在不同的外加电压下会具有不同的载流子浓度，这样的结构对于在硅波导当中传输的光信号有不同的吸收效率。对于这种吸收效应应用于光开关设计，无法采用传统折射率变化的光学结构获得光空分交换功能。利用石墨烯本身具有极高电子迁移率这一特性，能够制造出速度极快、功耗较低的新型微环光开关，在下一代大容量光通信系统中具有很好的应用前景。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于石墨烯电吸收特性的微环光开关，可以实现超高信道切换速度和低开关电压。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层；两条耦合波导放置在光微环的两侧，石墨烯电容结构层覆盖在光微环上，光微环、两条耦合波导、石墨烯电容结构层均在同一水平面上；两条耦合波导中的任意一条耦合波导的一端为输入端，另一端为直接输出端，另一条耦合波导与输入端对应的一端为下载端，输入端与输入波导相连接，直接输出端和下载端分别与各自输出波导相连接。

所述的石墨烯电容结构层包括第一层石墨烯、绝缘物质和第二层石墨烯；在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处，第一层石墨烯覆盖在光微环上，绝缘物质覆盖在第一层石墨烯上，第二层石墨烯覆盖在绝缘物质上，第一层石墨烯和第二层石墨烯延伸端分别与电极的两极相连。

所述的石墨烯电容结构层包括第一层石墨烯、绝缘物质和透明电极；在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处，第一层石墨烯覆盖在光微环上，绝缘物质覆盖在第一层石墨烯上，透明电极覆盖在绝缘物质上，第一层石墨烯延伸端和透明电极分别与电极的两极相连。

所述的光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层均放置在掺杂硅衬底上，石墨烯电容结构层包括绝缘物质和第一层石墨烯；在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处，绝缘物质覆盖在光微环上，第一层石墨烯覆盖在绝缘物质上，第一层石墨烯延伸端和掺杂硅衬底分别与电极的两极相连。

所述的光微环为任意闭环形状。

所述的石墨烯电容结构层覆盖在整体或者局部的光微环上。

本实用新型具有的有益的效果是：

本实用新型提出利用微环在不同损耗特性下的谐振与失振状态来实现光空分开关功能。不加驱动电压时，石墨烯会对光子产生十分明显的吸收效果，微环因此无法对光信号产生谐振，进入失振状态，光信号将从直接输出端进入其中一个输出波导；适当增加驱动电压，当石墨烯对光子的吸收不明显时，硅基微环处于谐振状，能与耦合波导发生良好的耦合，光信号经过微环从下载端进入另一个输出波导。依据这种原理，就可以通过改变外加电压来改变光信号的输出方向，实现光开关的效果。利用石墨烯所具有的高电子迁移率特性，可以实现THz级别的光信道切换速度，远超于当前GHz级别的普通电光、热光开关，非常适合应用于下一代大容量光通信网络；石墨烯大的吸收系数变化，可以实现低开关电压；采用最基本的硅基微环结构，可以用平面集成光波导工艺制作，具有良好的CMOS工艺兼容性，具有大规模生产的潜力。并且其所需施加的工作电压很低，节能环保。

附图说明

图1是本实用新型的结构图。

图2是光微环、两条耦合波导和石墨烯电容结构层均放置在掺杂硅衬底上的结构图。

图3是本实用新型在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处的第一种截面示意图。

图4是本实用新型在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处的第二种截面示意图。

图5是本实用新型在石墨烯电容结构层与光微环的覆盖交界处的第三种截面示意图。