专利摘要

本发明公开了一种基于石墨烯‑氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，包括四个光开关和两个结构相同的2×1MMI耦合器，每个光开关包括两个3dB耦合器、两个相移臂和三个电极，每个相移臂分别通过石墨烯、氮化硅和二氧化硅三种材料制备，第一3dB耦合器的第一输出端与第一相移臂的一端连接，第二3dB耦合器的第一输入端与第一相移臂的另一端连接，第一3dB耦合器的第二输出端与第二相移臂的一端连接，第二3dB耦合器的第二输入端与第二相移臂的另一端连接，第一相移臂与第一电极和第二电极之间分别通过其内石墨烯连通，第二相移臂与第二电极和第三电极之间分别通过其内石墨烯连通；优点是功耗较小，带宽较大，所占面积较小，利于级联扩展。

权利要求

1.一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，其特征在于包括四个结构相同的光开关和两个结构相同的2×1MMI耦合器，每个所述的光开关分别具有控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，每个所述的2×1MMI耦合器分别具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一个所述的光开关的第一输出端和第二个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第二输出端和第二个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第一输出端和第三个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第二输出端和第四个所述的光开关的第一输入端连接，第三个所述的光开关的第二输出端与第一个2×1MMI耦合器的第一输入端连接，第四个所述的光开关的第一输出端与第一个2×1MMI耦合器的第二输入端连接，第三个所述的光开关的第一输出端与第二个2×1MMI耦合器的第一输入端连接，第四个所述的光开关的第二输出端与第二个2×1MMI耦合器的第二输入端连接，第一个所述的光开关的控制端为所述的电光三人表决器的第一控制端，用于接入第一控制信号，第二个所述的光开关的控制端和第三个所述的光开关的控制端连接且其连接端为所述的电光三人表决器的第二控制端，用于接入第二控制信号，第四个所述的光开关的控制端为所述的电光三人表决器的第三控制端，用于接入第三控制信号，第一个所述的光开关的第一输入端为所述的电光三人表决器的输入端，第二个所述的2×1MMI耦合器的输出端为所述的电光三人表决器的输出端；每个所述的光开关分别包括结构相同的两个3dB耦合器、结构相同的两个相移臂和结构相同的三个电极，每个所述的3dB耦合器分别具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，将两个所述的3dB耦合器分别称为第一3dB耦合器和第二3dB耦合器，将两个所述的相移臂分别称为第一相移臂和第二相移臂，将三个所述的电极分别称为第一电极、第二电极和第三电极，每个所述的相移臂分别通过石墨烯、氮化硅和二氧化硅三种材料制备得到，所述的第一3dB耦合器的第一输出端与所述的第一相移臂的一端连接，所述的第二3dB耦合器的第一输入端与所述的第一相移臂的另一端连接，所述的第一3dB耦合器的第二输出端与所述的第二相移臂的一端连接，所述的第二3dB耦合器的第二输入端与所述的第二相移臂的另一端连接；所述的第一相移臂通过其内石墨烯与所述的第一电极和所述的第二电极分别连通，所述的第二相移臂通过其内石墨烯与所述的第二电极和所述的第三电极分别连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，其特征在于每个所述的相移臂分别包括两个结构完全相同的矩形波导、包层和调节层，将两个所述的矩形波导分别称为第一矩形波导和第二矩形波导，所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的材料分别为氮化硅，所述的包层的材料是二氧化硅，所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导从上到下排列，所述的包层将所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导包覆住，所述的调节层包括结构完全相同的四层石墨烯层和结构完全相同的四层二氧化硅层，将四层所述的石墨烯层分别称为第一石墨烯层、第二石墨烯层、第三石墨烯层和第四石墨烯层，将四层所述的二氧化硅层分别称为第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层和第四二氧化硅层，所述的第一二氧化硅层、所述的第一石墨烯层、所述的第二二氧化硅层、所述的第二石墨烯层、所述的第三石墨烯层、所述的第三二氧化硅层、所述的第四石墨烯层和所述的第四二氧化硅层按照从上向下顺序层叠，所述的第一二氧化硅层的上表面与所述的第一矩形波导的下表面相连接，所述的第四二氧化硅层的下表面与所述的第二矩形波导的上表面相连接；所述的第一相移臂中第一矩形波导的一端和第二矩形波导的一端与所述的第一3dB耦合器的第一输出端连接，与所述的第二3dB耦合器的第一输入端连接，所述的第二相移臂中第一矩形波导的一端和第二矩形波导的一端与所述的第一3dB耦合器的第二输出端连接，所述的第二相移臂中第一矩形波导的另一端和第二矩形波导的另一端与所述的第二3dB耦合器的第二输入端连接；所述的第一相移臂中第一石墨烯层与所述的第一电极连接，所述的第一相移臂中第二石墨烯层与所述的第二电极连接，所述的第一相移臂中第三石墨烯层与所述的第二电极相连接，所述的第一相移臂中第四石墨烯层与所述的第一电极连接；所述的第二相移臂中的第一石墨烯层与所述的第三电极连接，所述的第二相移臂中的第二石墨烯层与所述的第二电极相连接，所述的第二相移臂中的第三石墨烯层与所述的第二电极相连接，所述的第二相移臂中的第四石墨烯层与所述的第三电极相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，其特征在于所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的宽度均为1200纳米，高度均为170纳米，折射率均为1.9894，每层所述的石墨烯层的厚度均为0.7纳米，每层所述的二氧化硅层的厚度均为7纳米，每层所述的二氧化硅层的折射率均为1.444。

4.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，其特征在于所述的第一电极、所述的第二电极和所述的第三电极分别由位于下部的铂电极和位于上部的金电极组成，所述的第一电极、所述的第二电极和所述的第三电极分别通过其金电极与所述的第一相移臂和所述的第二相移臂连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电光三人表决器，尤其是涉及一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器。

背景技术

随着互联网的日益膨胀和信息技术的不断进步，对于信息传输和处理速度的要求也在不断增长。为了满足人们对信息的需求，信息传输和处理都在朝着高速率和大容量的方向发展，这就需要大大提高信号的带宽和信息处理的速率，而随着信号带宽和信息处理速率的不断提高，信号在电路中传播会遇到带宽限制和发热等问题，因此光信号处理技术开始受到人们的关注，光器件具有高速、大容量、超低功耗及并行的内在特性，为理想的信息载体。硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体(Complement ary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工艺相兼容的特点，因此，硅基光子技术作为目前的优势技术，可为解决这一关键问题提供有效的手段。

在未来的光网络中，光信号处理是其关键技术，而光逻辑门器件是实现光信号处理的关键器件之一，它可用于实现寻址和光分组等多种网络功能。而光逻辑门器件可划分为：全光逻辑门器件、电光逻辑门器件和热光逻辑门器件。而基于氮化硅波导的三人表决器可分为基于氮化硅波导的全光三人表决器、基于氮化硅波导的电光三人表决器和基于氮化硅波导的热光三人表决器。基于氮化硅波导的全光三人表决器通过利用氮化硅材料中的非线性效应，譬如克尔效应以及四波混频等效应，控制光信号输出，实现特定的逻辑功能。虽然全光逻辑器件具有超高速度，但是因为其需要较强的泵浦光诱发氮化硅材料中的非线性效应，由此不利于大规模集成。基于氮化硅波导的热光三人表决器利用氮化硅材料中的热光效应，通过电流加热改变光在氮化硅波导中传播时氮化硅的折射率和光的相位从而实现其逻辑功能，但其速度比较慢，处于微秒量级，功耗大，串扰也比较大，远不能满足未来高速光信号处理的要求。而基于氮化硅波导的电光三人表决器，相对基于氮化硅波导的全光三人表决器和基于氮化硅波导的热光三人表决器而言，既可考虑速度的需求，又易于实现集成化，成为目前使用最为广泛的一种三人表决器。

现有的基于氮化硅波导的电光三人表决器主要有两种：第一种是采用微环谐振腔级联然后通过对微环谐振腔通电加热实现其表决器功能，但是这使得表决器的带宽较小；另一种是采用马赫-曾德尔干涉结构级联通过对马赫-曾德尔干涉臂中的电光材料施加电压改变其自身有效折射率从而实现其逻辑功能，但是由于其方法实现该逻辑功能需要很强的外加电压才能实现，使得其功耗较大，其干涉臂的有效折射率变化也较小，从而使得器件的尺寸相对较大，不利于级联扩展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种功耗较小，带宽较大，所占面积较小，利于级联扩展的基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，包括四个结构相同的光开关和两个结构相同的2×1MMI耦合器，每个所述的光开关分别具有控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，每个所述的2×1MMI耦合器分别具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一个所述的光开关的第一输出端和第二个所述的光开关的第一输入端连接，第一个所述的光开关的第二输出端和第二个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第一输出端和第三个所述的光开关的第二输入端连接，第二个所述的光开关的第二输出端和第四个所述的光开关的第一输入端连接，第三个所述的光开关的第二输出端与第一个2×1MMI耦合器的第一输入端连接，第四个所述的光开关的第一输出端与第一个2×1MMI耦合器的第二输入端连接，第三个所述的光开关的第一输出端与第二个2 ×1MMI耦合器的第一输入端连接，第四个所述的光开关的第二输出端与第二个2×1 MMI耦合器的第二输入端连接，第一个所述的光开关的控制端为所述的电光三人表决器的第一控制端，用于接入第一控制信号，第二个所述的光开关的控制端和第三个所述的光开关的控制端连接且其连接端为所述的电光三人表决器的第二控制端，用于接入第二控制信号，第四个所述的光开关的控制端为所述的电光三人表决器的第三控制端，用于接入第三控制信号，第一个所述的光开关的第一输入端为所述的电光三人表决器的输入端，第二个所述的2×1MMI耦合器的输出端为所述的电光三人表决器的输出端；每个所述的光开关分别包括结构相同的两个3dB耦合器、结构相同的两个相移臂和结构相同的三个电极，每个所述的3dB耦合器分别具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，将两个所述的3dB耦合器分别称为第一3dB耦合器和第二3dB耦合器，将两个所述的相移臂分别称为第一相移臂和第二相移臂，将三个所述的电极分别称为第一电极、第二电极和第三电极，每个所述的相移臂分别通过石墨烯、氮化硅和二氧化硅三种材料制备得到，所述的第一3dB耦合器的第一输出端与所述的第一相移臂的一端接，所述的第二3dB耦合器的第一输入端与所述的第一相移臂的另一端连接，所述的第一3dB耦合器的第二输出端与所述的第二相移臂的一端连接，所述的第二3dB耦合器的第二输入端与所述的第二相移臂的另一端连接；所述的第一相移臂与所述的第一电极和所述的第二电极之间分别通过其内石墨烯连通，所述的第二相移臂与所述的第二电极和所述的第三电极之间分别通过其内石墨烯连通。

每个所述的相移臂分别包括两个结构完全相同的矩形波导、包层和调节层，将两个所述的矩形波导分别称为第一矩形波导和第二矩形波导，所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的材料分别为氮化硅，所述的包层的材料是二氧化硅，所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导从上到下排列，所述的包层将所述的第一矩形波导、所述的调节层和所述的第二矩形波导包覆住，所述的调节层包括结构完全相同的四层石墨烯层和结构完全相同的四层二氧化硅层，将四层所述的石墨烯层分别称为第一石墨烯层、第二石墨烯层、第三石墨烯层和第四石墨烯层，将四层所述的二氧化硅层分别称为第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层和第四二氧化硅层，所述的第一二氧化硅层、所述的第一石墨烯层、所述的第二二氧化硅层、所述的第二石墨烯层、所述的第三石墨烯层、所述的第三二氧化硅层、所述的第四石墨烯层和所述的第四二氧化硅层按照从上向下顺序层叠，所述的第一二氧化硅层的上表面与所述的第一矩形波导的下表面相连接，所述的第四二氧化硅层的下表面与所述的第二矩形波导的上表面相连接；所述的第一相移臂中第一矩形波导的一端和第二矩形波导的一端与所述的第一3dB 耦合器的第一输出端连接，与所述的第二3dB耦合器的第一输入端连接，所述的第二相移臂中第一矩形波导的一端和第二矩形波导的一端与所述的第一3dB耦合器的第二输出端连接，所述的第二相移臂中第一矩形波导的另一端和第二矩形波导的另一端与所述的第二3dB耦合器的第二输入端连接；所述的第一相移臂中第一石墨烯层与所述的第一电极连接，所述的第一相移臂中第二石墨烯层与所述的第二电极连接，所述的第一相移臂中第三石墨烯层与所述的第二电极相连接，所述的第一相移臂中第四石墨烯层与所述的第一电极连接；所述的第二相移臂中的第一石墨烯层与所述的第三电极连接，所述的第二相移臂中的第二石墨烯层与所述的第二电极相连接，所述的第二相移臂中的第三石墨烯层与所述的第二电极相连接，所述的第二相移臂中的第四石墨烯层与所述的第三电极相连接。该结构中，通过在每个相移臂中嵌入第一石墨烯层、第二石墨烯层、第三石墨烯层和第四石墨烯层，在第一电极和第二电极之间加载电压或者在第三电极和第二电极之间加载电压来改变第一相移臂或者第二相移臂中各石墨烯层的费米能级，从而来改变马赫-曾德尔干涉臂，第一相移臂和第二相移臂中波导的模式有效折射率，由于施加很小的电压就能使得马赫-曾德尔干涉臂中波导的模式有效折射率变化很大，可以较大范围调节每个相移臂中波导的模式有效折射率，由此可以使得马赫-曾德尔干涉臂的尺寸减小，同时，马赫-曾德尔干涉结构和MMI耦合器级联构成的电光三人表决器时会使得整体的尺寸减小，另外由于施加的电压很小，所以三人表决器的功耗相对较低，并且各石墨烯层和各二氧化硅层形成平板电容模型从而增大器件的带宽；另外第一石墨烯层、第二石墨烯层与第二二氧化硅层构成的第一个平板电容模型，第三石墨烯层、第四石墨烯层与第三二氧化硅层构成的第二个平板电容模型，这两个平板电容模型并联，在石墨烯层施加电压时这两个平板电容模型不会产生电流，这样在电路运行过程中不会产生较大的功耗。

所述的第一矩形波导和所述的第二矩形波导的宽度均为1200纳米，高度均为170纳米，折射率均为1.9894，每层所述的石墨烯层的厚度均为0.7纳米，每层所述的二氧化硅层的厚度均为7纳米，每层所述的二氧化硅层的折射率均为1.444。该结构中，第一矩形波导和第二矩形波导的尺寸匹配能够使得TE基模在该结构中传输，且传输损耗较低。

所述的第一电极、所述的第二电极和所述的第三电极分别由位于下部的铂电极和位于上部的金电极组成，所述的第一电极、所述的第二电极和所述的第三电极分别通过其金电极与所述的第一相移臂和所述的第二相移臂连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过在第一电极和第二电极之间或者在第二电极和第三电极之间施加电压，改变第一相移臂或者第二相移臂内的石墨烯材料的费米能级，从而可以较大范围的改变第一相移臂或者第二相移臂中波导的模式有效折射率且功耗较小，这样可以控制光信号在第一相移臂或者第二相移臂内传播时产生相位差，从而控制光信号从马赫-曾德尔干涉结构的不同输出端口输出，由于施加较小的电压就能使得马赫-曾德尔干涉臂中波导的模式有效折射率变化很大，可以较大范围调节每个相移臂中波导的模式有效折射率，这会使得相移臂的尺寸减小，这样就有利于级联构成的基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器整个器件的尺寸也相应的减小，并且相移臂中的石墨烯和二氧化硅构成的平板电容模型结构，使得调制带宽增大，并且平板电容模型中在石墨烯上施加电压不会产生电流，这样在电路运行过程中不会产生较大的功耗。

附图说明

图1为本发明的基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器的结构原理框图；

图2为本发明的基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器中光开关的结构原理框图；

图3为本发明的基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器中光开关的主视图；

图4为发明的基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器中光开关中两个相移臂去除绝缘层后的主视图；

图5为图3中A-A'处的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图所示，一种基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器，包括四个结构相同的光开关和两个结构相同的2×1MMI耦合器，每个光开关分别具有控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，每个2×1MMI耦合器分别具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一个光开关GSNMZ1的第一输出端和第二个光开关GSNMZ2的第一输入端连接，第一个光开关GSNMZ1的第二输出端和第二个光开关GSNMZ2的第二输入端连接，第二个光开关GSNMZ2的第一输出端和第三个光开关 GSNMZ3的第二输入端连接，第二个光开关GSNMZ2的第二输出端和第四个光开关GSNMZ4 的第一输入端连接，第三个光开关GSNMZ3的第二输出端与第一个2×1MMI耦合器MMI1 的第一输入端连接，第四个光开关GSNMZ4的第一输出端与第一个2×1MMI耦合器MMI1 的第二输入端连接，第三个光开关GSNMZ3的第一输出端与第二个2×1MMI耦合器MMI2 的第一输入端连接，第四个光开关GSNMZ4的第二输出端与第二个2×1MMI耦合器MMI2 的第二输入端连接，第一个光开关GSNMZ1的控制端为电光三人表决器的第一控制端，用于接入第一控制信号A，第二个光开关GSNMZ2的控制端和第三个光开关GSNMZ3的控制端连接且其连接端为电光三人表决器的第二控制端，用于接入第二控制信号B，第四个光开关GSNMZ4的控制端为电光三人表决器的第三控制端，用于接入第三控制信号C，第一个光开关GSNMZ1的第一输入端为电光三人表决器的输入端，第二个2×1MMI耦合器MMI2的输出端为电光三人表决器的输出端；每个光开关分别包括结构相同的两个3dB 耦合器、结构相同的两个相移臂和结构相同的三个电极，每个3dB耦合器分别具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，将两个3dB耦合器分别称为第一3dB 耦合器D1和第二3dB耦合器D2，将两个相移臂分别称为第一相移臂S1和第二相移臂 S2，将三个电极分别称为第一电极T1、第二电极T2和第三电极T3，每个相移臂分别通过石墨烯、氮化硅和二氧化硅三种材料制备得到，第一3dB耦合器D1的第一输出端与第一相移臂S1的一端连接，第二3dB耦合器D2的第一输入端与第一相移臂S1的另一端连接，第一3dB耦合器D1的第二输出端与第二相移臂S2的一端连接，第二3dB 耦合器D2的第二输入端与第二相移臂S2的另一端连接；第一相移臂S1与第一电极T1 和第二电极T2之间分别通过其内石墨烯连通，第二相移臂S2与第二电极T2和第三电极T3之间分别通过其内石墨烯连通。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别在于：

本实施例中，每个相移臂分别包括两个结构完全相同的矩形波导、包层1和调节层，将两个矩形波导分别称为第一矩形波导2和第二矩形波导3，第一矩形波导2和第二矩形波导3的材料分别为氮化硅，包层1的材料是二氧化硅，第一矩形波导2、调节层和第二矩形波导3从上到下排列，包层1将第一矩形波导2、调节层和第二矩形波导3包覆住，调节层包括结构完全相同的四层石墨烯层和结构完全相同的四层二氧化硅层，将四层石墨烯层分别称为第一石墨烯层4、第二石墨烯层5、第三石墨烯层6和第四石墨烯层7，将四层二氧化硅层分别称为第一二氧化硅层8、第二二氧化硅层9、第三二氧化硅层10和第四二氧化硅层11，第一二氧化硅层8、第一石墨烯层4、第二二氧化硅层9、第二石墨烯层5、第三石墨烯层6、第三二氧化硅层10、第四石墨烯层7和第四二氧化硅层11按照从上向下顺序层叠，第一二氧化硅层8的上表面与第一矩形波导2的下表面相连接，第四二氧化硅层11的下表面与第二矩形波导3的上表面相连接；第一相移臂S1中第一矩形波导2的一端和第二矩形波导3的一端与第一3dB耦合器D1的第一输出端连接，与第二3dB耦合器D2的第一输入端连接，第二相移臂S2中第一矩形波导2的一端和第二矩形波导3的一端与第一3dB耦合器D1的第二输出端连接，第二相移臂S2中第一矩形波导2的另一端和第二矩形波导3的另一端与第二3dB耦合器D2 的第二输入端连接；第一相移臂S1中第一石墨烯层4与第一电极T1连接，第一相移臂 S1中第二石墨烯层5与第二电极T2连接，第一相移臂S1中第三石墨烯层6与第二电极T2相连接，第一相移臂S1中第四石墨烯层7与第一电极T1连接；第二相移臂S2 中的第一石墨烯层4与第三电极T3连接，第二相移臂S2中的第二石墨烯层5与第二电极T2相连接，第二相移臂S2中的第三石墨烯层6与第二电极T2相连接，第二相移臂 S2中的第四石墨烯层7与第三电极T3相连接。

本实施例中，第一矩形波导2和第二矩形波导3的宽度均为1200纳米，高度均为170纳米，折射率均为1.9894，每层石墨烯层的厚度均为0.7纳米，每层二氧化硅层的厚度均为7纳米，每层二氧化硅层的折射率均为1.444。

本实施例中，第一电极T1、第二电极T2和第三电极T3分别由位于下部的铂电极和位于上部的金电极组成，第一电极T1、第二电极T2和第三电极T3分别通过其金电极与第一相移臂S1和第二相移臂S2连接。

基于石墨烯-氮化硅混合集成光波导的电光三人表决器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。