[发明专利]硅基石墨烯栅层电光空间超快调制器

说明书

技术领域

本发明属于通信用硅基器件领域，特别涉及电光超快调制器范围。

背景技术

光调制器是光通信系统中的极其重要的一部分，光调制器的性能直接影响到整个通信系统的性能，光调制器就是通过对载波操作，将调制信号掺入载波的幅度、相位或偏振等性质，从而实现信号的加载。

近年来随着高速光通信系统迅速发展，迫切要求高速光波导调制器与之相适应。目前，已有的调制器都是采用空间上单点调制的方式。首先，当需要在载波中加载超高频率的信号时就需要超高速的调制信号，而产生超快电信号的高速电路是难于制作，并且价格比较昂贵。其次，调制器中电光材料对于电信号的响应速度有限，比如硅的响应速度在70Ghz基本达到极限，这使得在超快电光调制过程中电光材料对光载波的作用速度无法与调制电信号匹配，无法完成信号的超快加载。最后，在高速调制的系统中，受制于“电子瓶颈”，高速电信号在线路及系统内部产生的能耗是非常大的，同时信号速度高时电路系统内部散热也会增加，从而影响系统性能，也增加了温控的难度和能耗。

为了实现高速调制，时分复用是产生高速信号的一种有效办法，其原理就是将低速的数据流利用时间上插空的方法经过多级复用后变为高速的数据流。但是采用光时分复用器也存在了较多的问题，首先，复用过程中各路光信号要进行多次耦合，这样会产生较大的耦合损耗；其次，为了得到高速的信号，需要进行多级复用组合，会造成系统体积较大不利于集成的问题；最后，多级复用分布体积大，易受环境中温度和振动不均匀分布的影响，难于补偿和控制；此外，时分复用产生高速信号的方法仅限于幅度调制，当采用相位或偏振等调制方式时，各路信号在叠加时会出现相干现象，所以时分复用产生高速信号的方法具有较大的局限性。

目前，科研人员已经提出了很多电光调制器的实现方案，主要有铌酸锂调制器、Ⅲ-Ⅴ族半导体电吸收调制器、聚合物调制器。其中研究最多的就是铌酸锂马赫增德尔调制器，这类调制器插入损耗较小，对于波长、温度等因素的影响不大，调制带宽也可以达到100GHz,但是铌酸锂调制器具有低电压灵敏度的问题，具体表现为半波电压较大，要实现较大的带宽是以较高的半波电压为代价的。基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电吸收调制器于传统的电折射调制器相比，如铌酸锂调制器，具有较低的半波电压和驱动电压，并且尺寸更小，调制效率也更高，但是由于电吸收效应的强度调制也会造成折射率实部的变化，也就是电吸收效应会引起相位调制，形成啁啾现象，易造成信号失真。并且其调制带宽相对于铌酸锂调制器所达到的带宽也是较窄的。聚合物调制器是根据线性电光效应的原理进行工作的，具有很高的潜在调制带宽，一般的聚合物调制器的设计是基于M-Z结构的，所以研究的重点主要在于材料本身，进一步提高聚合物材料的电光效应，有望实现更低的半波电压。但是聚合物调制器受温度和光功率的影响较大，材料本身不够稳定，一般来说聚合物调制器的插入损耗也是较大的。

硅基调制器在材料上具有成本低、高折射率和非线性系数等优势，从制作工艺上兼容成熟的CMOS工艺利于光电集成，近年来发展突飞猛进，调制速度可以达到几十Ghz。硅基高速电光调制器不仅是未来光交叉互连(OXC)和光分插复用(OADM)系统中的核心器件，而且在芯片光互联和光计算技术中也具有很大的应用前景。因此，开展硅基高速电光调制器的研究意义重大。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成正六边形呈蜂窝状晶格的二位氮原子层平面晶体薄膜，具有独特的光学和电学特性，例如石墨烯的饱和吸收特性和超快载流子跃迁和弛豫过程。基于这些特性研制的光调制器、超快锁模激光器、光电探测器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明电极和导电薄膜已经被实验演示或商品化。其中，基于石墨烯的光调制器在调制速度方面展现了其他材料调制器无法比拟的优势，使实现高集成度、超高速、宽带宽的电光调制器成为可能。基于石墨烯的电光调制器都是通过外加电场控制石墨烯的费米能级，从而引起石墨烯的带内跃迁和带间跃迁，使得石墨烯的电导率发生变化，因此改变了石墨烯对载波的传输和吸收特性来实现光信号的调制，同时石墨烯超快的载流子弛豫速度可以使得调制速度非常快。超宽波长调制范围，大调制深度，低功耗和高面积效率也是石墨烯给予全光调制的优点。