CN105264430B - 一种光调制器及平面光子器件模组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光调制器，其包括聚合物波导、至少一个第一电容器极板和至少一个第二电容器极板，所述聚合物波导包括芯层，所述第一电容器极板和第二电容器极板相互分离且均延伸至所述芯层内，在横截面的径向上，所述第一电容器极板的投影于所述第二电容器的投影至少部分重合，所述第一电容器极板和/或第二电容器极板采用石墨烯薄膜制成，在所述第一电容器极板与第二电容器极板之间施加调制电压信号，改变第一电容器极板和/或第二电容器极板内的石墨烯光学吸收系数，从而实现对通过聚合物波导的光进行调制。本发明的光调制器具有较小集成尺寸，并具有较低的功耗及较大的调制带宽。本发明还提供了一种包括所述光调制器的平面光子器件模组。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种光调制器及平面光子器件模组。
背景技术
光作为信息传输的载体具有低功耗、低延迟和大传输带宽等一系列优点，包括远距离的跨洋光缆传输到数据中心服务器间光互连的相关技术已相对成熟并成功商业化。目前研究显示，在电路板间以及板上,乃至深入众核处理器内核的片间和片上信号传输等应用场景使用光互连技术同样存在着巨大的优势，足以优化处理器芯片总体的功耗、速度、性能等参数指标。
在光电混合印刷电路板(PCB，包括柔性PCB等)，常用的光信号传输载体为聚合物波导，在此应用场景中使用聚合物波导是因为聚合物材料具有种类繁多、制备流程简单、成本低廉、兼容性好(无定形态可集成)、低光学传输损耗(<1dB/cm)、低插入损耗(导波模场和光纤模场匹配)等优点，所以在集成度要求一般的光电混合PCB的板上光互连等应用场景存在较大优势。在光电混合PCB中，一般包含光源、调制器、光学波导、探测器等模块，光调制器作为将电信号转化为光信号的基本单元器件，在光电混合PCB上发挥着不可替代的作用。此外，在一般基于二氧化硅波导或聚合物波导的平面光子器件(PLC)中，设计一种和现有PLC兼容、性能表现优异的光调制器模块也具有相当的商业价值。
目前通常使用的铌酸锂(LiNbO3)电光调制器的设计一般遵循以下流程：基于LiNbO3基底材料，沿晶体x方向和z方向切割，并使用Ti元素扩散，在LiNbO3基底上形成波导，并设计马赫-曾德(M-Z)调制器结构。LiNbO3电光调制器的调制原理利用LiNbO3材料的非线性二次电光效应，通过调节电压调制材料的非线性折射率，并通过M-Z干涉仪结构把信号的相位调制转化为强度调制。
所述LiNbO3电光调制器具有如下不足：首先，由于LiNbO3材料较为昂贵，且波导的制作及结构的设计较为复杂，因此，LiNbO3电光调制器的生产成本较高，制作工艺较为复杂。其次，LiNbO3电光调制器的长度一般约为1毫米，尺寸较大。再者，由LiNbO3材料决定的LiNbO3电光调制器的调制带宽的上限约为40GHz。
此外，现有技术中还有采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)来实现利用板上光互连技术实现光PCB上各模块间的信号传输。具体的光源及调制器方案如下：使用倒装封装的VCSEL激光器，利用内调制的方式把电信号调制到光载波上，然后利用透镜耦合等方式将加载数据信息的光波耦合到片上聚合物波导。此种方法中，携带数据信息的光载波是由内调制型VCSEL激光器产生的，所述VCSEL激光器通过倒装封装的方式与聚合物波导耦合，实际生产中存在下列问题：1.内调制激光器和聚合物波导不在一个平面耦合，耦合的对准精度要求高；2.光电混合PCB在三维方向存在集成，系统复杂度升高，集成度和稳定性降低；3.光信号的质量和信号带宽受限于VCSEL内调制激光器的发展。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种光调制器及平面光子器件模组，所述光调制器具有较小集成尺寸并具有较高性能。
第一方面，提供了一种光调制器。
光调制器包括聚合物波导、至少一个第一电容器极板和至少一个第二电容器极板，所述聚合物波导包括芯层，所述第一电容器极板和第二电容器极板相互分离且均延伸至所述芯层内，在横截面的径向上，所述第一电容器极板的投影与所述第二电容器极板的投影至少部分重合，所述第一电容器极板和/或第二电容器极板采用石墨烯薄膜制成，在所述第一电容器极板与第二电容器极板之间施加调制电压信号，改变第一电容器极板和/或第二电容器极板内的石墨烯光学吸收系数，从而实现对聚合物波导中的导波光进行调制；
所述聚合物波导还包括上包层和下包层，所述上包层和下包层从所述芯层的相对两侧包覆所述芯层，所述芯层的部分埋入于所述下包层内，其余部分埋入于所述上包层内；
所述第一电容器极板部分位于所述上包层和下包层内，其余部分延伸至所述芯层内；第二电容器极板部分位于所述上包层和下包层内，其余部分延伸至所述芯层内；
所述第一电容器极板与第一接触电极的连接处位于所述上包层及下包层内；所述第二电容器极板与第二接触电极的连接处位于所述上包层及下包层内。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯或者寡层石墨烯。
在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第一电容器极板与第二电容器极板相互平行。
结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第一电容器极板与与其相邻的第二电容器极板之间的距离为10纳米至100纳米。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述芯层、下包层及上包层均采用非导电聚合物材料制成。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一电容器极板的个数为一个，所述第二电容器极板的个数为两个，所述第一电容器极板位于两个所述第二电容器极板之间。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第一电容器极板的个数为一个，所述第二电容器极板的个数为一个。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述第一电容器极板的个数为两个以上，所述第二电容器极板的个数为两个以上，第一电容器极板和第二电容器极板在芯层的厚度方向上交替排列。
在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述第一电容器极板采用石墨烯薄膜制成，所述第二电容器极板采用导电薄膜制成。
在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述光调制器还包括第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极与所述第一电容器极板电连接，所述第二接触电极与所述第二电容器极板电连接，所述第一接触电极与第二接触电极用于接入调制电压信号。
结合第一方面的第九种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述第一接触电极和第二接触电极的材料为金、铂、导电聚合物或者氧化铟锡。
在第一方面的第十种可能的实现方式中，所述聚合物波导的厚度为10微米至200微米，所述芯层的横截面为矩形，矩形横截面的长和宽均为3微米至10微米。
另一方面，提供一种平面光子器件模块。
平面光子器件模块包括激光器、第一驱动电路、第二驱动电路及以上各种可能的实现方式所述的光调制器，所述第一驱动电路用于控制及驱动所述激光器发出激光，所述第二驱动电路用于向所述光调制器施加调制电压信号，所述激光器发出的激光传导至所述光调制器，所述光调制器用于对激光进行调制。
在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述平面光子器件模块还包括光波导，所述光波导连接于所述激光器与所述光调制器之间，所述光波导用于将所述激光器出射的激光传导至所述光调制器。
在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述激光器为可调谐激光器或固定波长激光器。
本发明中，光调制器的调制原理基于石墨烯电可调的光吸收特性，由于石墨烯具有超高的载流子迁移率和超快的载流子弛豫时间，结合光波导设计可有效增强石墨烯和光波模场的相互作用，所以理论上可以达到500GHz的调制带宽。此外，由于光调制器使用的材料为聚合物和石墨烯，两者的材料成本以及聚合物波导的制备成本都相对较低，并有望实现大规模生产。光调制器具有很高的调制带宽，并且光谱响应范围宽，可应用于波分复用的应用场景。此外，由于光调制器基于聚合物波导，聚合物波导的光波模场和单模光纤的模场相近，所以该光调制器和光纤通信器件间的耦合损耗几乎可以忽略。因此，单个石墨烯聚合物波导光调制器可以作为单元光电子器件独立封装应用在光通信领域。光调制器和光纤通信系统具有很好的兼容性，并可以满足将来大带宽的数据传送对光调制器的要求。由于单层石墨烯对光的吸收已经达到了2.3％，将石墨烯集成到聚合物波导的基模光波模场场强极大处，有效增强了石墨烯和光波模场的相互作用，减小了器件尺寸。光调制器尺寸的减小，将会带来系统集成度的进一步提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一较佳实施方式提供的光调制器的剖面示意图；
图2是本发明第二较佳实施方式提供的光调制器的剖面示意图；
图3是本发明第三较佳实施方式提供的光调制器的剖面示意图；
图4是本发明提供的平面光子器件模组的一个较佳实施方式的框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明第一技术方案的第一较佳实施方式提供的一种光调制器100。所述光调制器100包括衬底101、下包层112、第一接触电极121、第二接触电极122、第一电容器极板131、两个第二电容器极板132、芯层113及上包层111。所述上包层111、芯层113及下包层112构成聚合物波导110。
所述衬底101用于承载所述聚合物波导110，其与下包层112相接触，所述衬底101的材料可以为硅等，其具有平整的外表面。所述衬底101的材料可以根据所述石墨烯/聚合物光调制器100使用的场景进行选择，以与其应用场景相匹配。
芯层113被上包层111和下包层112包覆。具体的，所述芯层113的部分埋入于下包层112内，其余部分埋入于上包层111内。所述下包层112的横截面积大于所述上包层111的横截面积。由所述上包层111、芯层113及下包层112构成的聚合物波导110的长度为10微米至200微米。所述芯层113横截面一般为矩形，矩形的横截面的长及宽一般为3微米至10微米。
所述上包层111、下包层112及芯层113均采用非导电聚合物材料制成，并且所述的非导电聚合物材料应具有良好的光学特性。所述芯层113在可见及红外光波长范围内，对光基本无吸收。并且，所述上包层111、下包层112及芯层113选用的材料应为光学特性随环境湿度及温度变化相对稳定的材料。上包层111和下包层112可以采用相同的材料制成，也可以采用不同的材料制成。所述上包层111和下包层112选用的材料的光学折射率比芯层113的材料低。具体地，可以作为芯层113的材料为甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚硅氧烷或聚酰亚胺(PI)等。折射率小于上述作为芯层113的非导电有机聚合物材料均可以作为上包层111及下包层112。具体的，当传输激光波长为1550nm，采用甲基丙烯酸甲酯(折射率为1.49)或聚苯乙烯(折射率为1.59)作为芯层113时，可以采用聚二甲基硅氧烷(PDMS，折射率为1.4)作为上包层111及下包层112。当采用聚碳酸酯(折射率为1.61)作为芯层113的材料，可以采用紫外固化胶UV15(Master Bond Co.,USA，折射率为1.52))作为上包层111及下包层112的材料。
所述第一接触电极121和第一电容器极板131相互连接，所述第二接触电极122与两个第二电容器极板132相连接。本实施例中，所述第一接触电极121设置于下包层112的表面，并且部分延伸至上包层111与下包层112内，位于所述上包层111及下包层112内的部分第一接触电极121与第一电容器极板131相互连接。所述第一电容器极板131部分位于所述上包层111和下包层112内，其余部分延伸至所述芯层113内。所述第二接触电极122也设置于下包层112的表面，且部分延伸至上包层111及下包层112内。优选地，所述第一接触电极121和第二接触电极122位于芯层113的相对两侧。位于所述上包层111及下包层112内的部分第二接触电极122与第二电容器极板132分别相连。第二电容器极板132均部分位于所述上包层111和下包层112内，其余部分延伸至所述芯层113内。并且，两个第二电容器极板132相互平行，并与第一电容器极板131相互平行。第一电容器极板131位于两片第二电容器极板132之间。所述第一电容器极板131与第二电容器极板132之间的距离为10纳米至100纳米。优选地，所述第一电容器极板131、第二电容器极板132均延伸过所述芯层113的中心区域，在平行于所述芯层113的横截面方向上，所述第一电容器极板131的投影于所述第二电容器极板132的投影至少部分重合。优选地，第一电容器极板131、第二电容器极板132相互重叠的位置位于所述芯层113的中心，即芯层113中基模光场场强极大处，以增加第一电容器极板131、第二电容器极板132与光波模场的相互作用。
所述第一电容器极板131、第二电容器极板132为石墨烯薄膜。所述石墨烯薄膜可以为单层石墨烯，也可以为寡层石墨烯(原子层数为2至10层)。所述第一接触电极121和第二接触电极122的材料可以为金或者铂等，第一接触电极121和第二接触电极122也可以为导电聚合物薄膜或者氧化铟锡薄膜。
所述第一接触电极121和第二接触电极122用于与外加电压连接，从而与第一接触电极121连接的第一电容器极板131作为电容器极板一极，与第二接触电极122连接的第二电容器极板132作为电容器极板另一极，通过在第一接触电极121和第二接触电极122施加调制信号的电压，实现对第一电容器极板131、第二电容器极板132内的石墨烯的载流子掺杂，改变石墨烯的光学吸收系数，从而实现对第一电容器极板131、第二电容器极板132内的石墨烯的光学系数的调制。
可以理解的是，本实施方式提供的光调制器100也可以不包括第一接触电极121和第二接触电极122，而直接将第一电容器极板131、第二电容器极板132作为电极连接至电源的两极。
本实施方式中的第一电容器极板131、第二电容器极板132均采用石墨烯薄膜制成，由于石墨烯材料本身具有的超快载流子迁移速率和极短的弛豫时间(2ps量级)。因此，光调制器100的调制带宽可以达到500GHz。并且，本实施例中的聚合物波导110的长度为10微米至200微米，因此，聚合物波导的长度对光调制器100的调制带宽几乎没有影响。当光源在所述光调制器100导波时，如果在两极之间施加调制电压信号，就可以将数据信号调制到光信号上。
光调制器100的调制原理基于石墨烯电可调的光吸收特性，由于石墨烯具有超高的载流子迁移率和超快的载流子弛豫时间，结合光波导设计可有效增强石墨烯和光波模场的相互作用，所以理论上可以达到500GHz的调制带宽。此外，由于光调制器100使用的材料为聚合物和石墨烯，两者的材料成本以及聚合物波导的制备成本都相对较低，并有望实现大规模生产。
光调制器100具有很高的调制带宽，并且光谱响应范围宽，可应用于波分复用的应用场景。此外，由于光调制器100基于聚合物波导，聚合物波导的光波模场和单模光纤的模场相近，所以该光调制器和光纤通信器件间的耦合损耗几乎可以忽略。因此，单个石墨烯聚合物波导光调制器100可以作为单元光电子器件独立封装应用在光通信领域。光调制器100和光纤通信系统具有很好的兼容性，并可以满足将来大带宽的数据传送对光调制器的要求。
由于单层石墨烯对光的吸收已经达到了2.3％，将石墨烯集成到聚合物波导的基模光波模场场强极大处，有效增强了石墨烯和光波模场的相互作用，减小了器件尺寸。由于光调制器100尺寸较小，可以提高系统集成度。
请参阅图2，本发明第一技术方案第二较佳实施方式提供一种光调制器200。本实施方式提供的光调制器200与第一实施方式提供的光调制器100的结构相近，工作的原理及实现的功能也相近。光调制器200包括衬底201、下包层212、第一接触电极221、第二接触电极222、第一电容器极板231、第二电容器极板232、芯层213及上包层211。不同之处在于，光调制器200的第二电容器极板232的个数为1个。
在其他实施方式中，第一电容器极板231的个数可以为两个或者两个以上。所述第二电容器极板232的个数也可以为两个或者两个以上。当第一电容器极板231和第二电容器极板232的个数均为两个以上时，第一电容器极板231和第二电容器极板232在芯层213的厚度方向上交替排列且相互平行。第一电容器极板231与其相邻的第二电容器极板232之间的距离为10纳米至100纳米。
请参阅图3，本发明第一技术方案的第三较佳实施方式提供一种光调制器300。本实施方式提供的光调制器300与第二实施方式提供的光调制器200的结构相近，工作的原理及实现的功能也相近。光调制器300包括衬底301、下包层312、第一接触电极321、第二接触电极322、第一电容器极板331、第二电容器极板332、芯层313及上包层311。不同之处在于，光调制器300的第二电容器极板332采用导电薄膜材料制成。所述导电薄膜与所述芯层313、上包层311及下包层312的材料具有相似的介电特性，且所述导电薄膜应具有较快的载流子迁移速度和驰豫时间。所述导电薄膜的材料具体可以为聚乙烯、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚对苯乙烯撑等。
请参阅图4，本发明的第二技术方案的一个较佳实施方式提供一种平面光子器件(PLC)模块10，所述平面光子器件模块10其包括激光器20、第一驱动电路30、光波导40、第二驱动电路50及本发明第一技术方案提供的光调制器。本实施方式中，以第一技术方案的第一较佳实施方式提供的光调制器100为例来进行说明。
所述激光器20可以为可调谐激光器或固定波长激光器。所述激光器100用于发射激光。所述第一驱动电路30与激光器100电性连接，用于控制并驱动所述激光器20发射激光。所述光波导40连接于激光器20与光调制器100之间，用于将激光器20发出的激光传导至光调制器100。所述光调制器100将激光进行调制后输出。所述第二驱动电路50与光调制器100电性连接，用于将电调制信号加载到光调制器100上，从而实现对导波激光的调制。
利用光调制器100作为片上光调制器，可设计小尺寸、低功耗、大带宽的单片集成的平面光子器件模块10。
可以理解的是，所述激光器20与光调制器100之间也可以不连接有光波导40，而将激光器20直接与光调制器100相连接，激光器20出射的激光直接传导至所述光调制器100内。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (15)
1.一种光调制器，其包括聚合物波导、至少一个第一电容器极板和至少一个第二电容器极板，所述聚合物波导包括芯层，所述第一电容器极板和第二电容器极板相互分离且均延伸至所述芯层内，在横截面的径向上，所述第一电容器极板的投影与所述第二电容器极板的投影至少部分重合，所述第一电容器极板和/或第二电容器极板采用石墨烯薄膜制成，在所述第一电容器极板与第二电容器极板之间施加调制电压信号，改变第一电容器极板和/或第二电容器极板内的石墨烯光学吸收系数，从而实现对聚合物波导中的导波光进行调制；
所述聚合物波导还包括上包层和下包层，所述上包层和下包层从所述芯层的相对两侧包覆所述芯层，所述芯层的部分埋入于所述下包层内，其余部分埋入于所述上包层内；
所述第一电容器极板部分位于所述上包层和下包层内，其余部分延伸至所述芯层内；第二电容器极板部分位于所述上包层和下包层内，其余部分延伸至所述芯层内；
所述第一电容器极板与第一接触电极的连接处位于所述上包层及下包层内；所述第二电容器极板与第二接触电极的连接处位于所述上包层及下包层内。
2.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯或者寡层石墨烯。
3.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述第一电容器极板与第二电容器极板相互平行。
4.如权利要求3所述的光调制器，其特征在于，所述第一电容器极板与与其相邻的第二电容器极板之间的距离为10纳米至100纳米。
5.如权利要求1至4任一项所述的光调制器，其特征在于，所述芯层、下包层及上包层均采用非导电聚合物材料制成。
6.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述第一电容器极板的个数为一个，所述第二电容器极板的个数为两个，所述第一电容器极板位于两个所述第二电容器极板之间。
7.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述第一电容器极板的个数为一个，所述第二电容器极板的个数为一个。
8.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述第一电容器极板的个数为两个以上，所述第二电容器极板的个数为两个以上，第一电容器极板和第二电容器极板在芯层的厚度方向上交替排列。
9.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述第一电容器极板采用石墨烯薄膜制成，所述第二电容器极板采用导电薄膜制成。
10.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还包括第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极与所述第一电容器极板电连接，所述第二接触电极与所述第二电容器极板电连接，所述第一接触电极与第二接触电极用于接入调制电压信号。
11.如权利要求10所述的光调制器，其特征在于，所述第一接触电极和第二接触电极的材料为金、铂、导电聚合物或者氧化铟锡。
12.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述聚合物波导的厚度为10微米至200微米，所述芯层的横截面为矩形，矩形横截面的长和宽均为3微米至10微米。
13.一种平面光子器件模块，包括激光器、第一驱动电路、第二驱动电路及如权利要求1至12任一项所述的光调制器，所述第一驱动电路用于控制及驱动所述激光器发出激光，所述第二驱动电路用于向所述光调制器施加调制电压信号，所述激光器发出的激光传导至所述光调制器，所述光调制器用于对所述激光进行调制。
14.如权利要求13所述的平面光子器件模块，其特征在于，所述平面光子器件模块还包括光波导，所述光波导连接于所述激光器与所述光调制器之间，所述光波导用于将所述激光器发出的激光传导至所述光调制器。
15.如权利要求13所述的平面光子器件模块，其特征在于，所述激光器为可调谐激光器或固定波长激光器。
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