CN106950726A - 基于石墨烯的硅基光空间超快调制器 - Google Patents

Abstract

基于石墨烯的硅基光空间超快调制器，涉及全光超快调制器领域。硅波导1以盘绕结构生长于SiO₂平板基底3之上，石墨烯层2置于硅波导1的表面之上，包含调制信号的空间泵浦光图样4照射于石墨烯层2。通过以较低频率进行短时间长度空间泵浦光图样4与长时间长度满光图样的切换，可以将超高速调制信号加载到载波上，产生超快调制的效果。通过加载不同的空间泵浦光图样，可以实现任意信号的超快调制。

Description

基于石墨烯的硅基光空间超快调制器

技术领域

本发明属于通信用硅基领域，特别涉及全光超快调制器范围。

背景技术

光调制器是光通信系统中的关键器件，其主要原理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，实现信号加载。

目前主要有全光调制和电光调制两种光调制手段。使用电光调制器最主要的问题是电子瓶颈会限制调制速度，目前最快的电光调制速度也只在百Ghz左右，调制速度超过Ghz量级的电光调制器制作难度大，价格昂贵。全光调制可以在硅或者其他光波导中进行，可以在简单的结构中实现高速、宽带宽、低损耗的信号调制。

已有的调制器都采用单点调制的方式，具有一些难以克服的缺陷。首先，随着高速光通信的发展，需要高调制速率的调制器与之相适应，相应的就需要高速的调制信号，而产生超快电信号的高速电路是难于制作，并且价格昂贵。其次，调制器中电光材料对于电信号的响应速度有限，例如硅的响应速度在70Ghz基本达到极限，就会导致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的问题，难以实现高速调制。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非常大，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。

时分复用是产生高速信号的一种有效办法。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一些难以避免的缺陷：首先，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；其次，复用过程中各路光信号要进行多次耦合，因而会产生较大的耦合损耗；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、基于Ⅲ-Ⅴ族半导体电吸收调制器、聚合物调制器。最常见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，对波长、温度等因素不敏感，调制带宽也可以达到100GHz,但铌酸锂调制器半波电压较大，实现较大的带宽是要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具有较低的半波电压和驱动电压，且尺寸较小，调制效率较高，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。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。基于石墨烯饱和吸收的全光调制绕开电子瓶颈，可以实现超快的调制速率(实验演示200Ghz，理论分析500Ghz)。通过经过石墨烯的高频高功率泵浦光来控制石墨烯对经过其的低频信号光的吸收，从而实现对载波的全光幅度调制，同时石墨烯超快的载流子弛豫速度使得这种调制的速度可以非常快。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。将硅作为波导结构与石墨烯结合又会使调制器借助硅波导的优点达到更高的性能，石墨烯可以使调制器获得高的调制速率，而且采用具有高折射率差的SOI基底，其制作工艺与目前已经发展非常成熟的CMOS工艺相兼容，利于大规模的集成和开发。

需要注意的是，目前的调制器都是采用空间上单点调制的方式，无法充分满足当前高速光通信系统对于调制速度的需要。将高重复频率的调制信号在空间上拆解为很多低重复频率的调制信号，在光波导的不同位置同时加载，对载波的不同空间部分进行同时调制同样可以得到高速调制的效果，这种方法由本发明首次提出，称为空间调制。这种空间调制的方式既解决了高速电路难以制作和成本昂贵的问题，也避免了光电材料响应速度无法跟上电信号变化速度的问题以及高速电信号导致的系统损耗过高的问题。同时相对于光时分复用产生高速信号的办法，采用硅基空间调制的方式器件尺寸可以较小，耦合损耗大、受环境影响大以及对于幅度调制的局限性等缺点均得以改善。

发明内容

本发明提出了基于石墨烯的硅基光空间超快调制器，旨在实现全光域内信息的灵活和超快调制。

本发明基本原理：

硅波导厚度较薄时，表面会产生较强倏逝场，将载波扩散到石墨烯层进行调制。调制信号以变化的泵浦光空间图样的形式存在，利用石墨烯的饱和吸收特性调整石墨烯对载波的吸收，通过改变空间光图样可以简单灵活地控制调制信号。图样泵浦光使石墨烯的吸收特性在沿硅波导轴向形成相同图样的分布，对载波进行可调的多位置吸收(吸收位置为0信号，不吸收位置为1信号)。石墨烯超短的载流子弛豫时间使单个吸收位置的空间宽度可以很窄同时不牺牲调制深度，因此细密的光空间图样可以产生超高密度的已调信号，同时减小了器件整体尺寸。利用大尺寸的光空间图样可以实现同一时间点加载大量信息来降低所需的空间光图样的变化速度，从而以很低的调制速度实现超高密度的信号调制，达到超快调制的效果。

本发明具体物理实现方式：该调制器包括硅波导1、石墨烯层2、SiO₂平板基底3、空间泵浦光图样4(图1)。组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于SiO₂平板基底3之上，石墨烯层2置于硅波导1的表面之上，包含调制信号的空间泵浦光图样4照射石墨烯层2。石墨烯层2层数小于10。空间泵浦光图样4空间分辨率在百微米量级。

经过上述设置，通过以较低频率改变空间光图样的形状，可以实现任意信号的高速调制。本发明具体有益效果：

(1)采用空间调制方式与泵浦光空间信息图样的信号形式相结合，大量信息可以在同一时刻加载，从而以很低的调制速度实现超高密度的信号调制，达到超快调制的效果。

(2)调制器的串联结构易于制作，可以对各个低速调制点信号的组合进行精确控制。

(3)调制信号以空间光图样的形式存在的，通过调整光图样的形状可以一次实现对各个信息加载点的调制，非常方便灵活。

(4)该调制器对使用环境不敏感

(5)全光调制，无需复杂的电极设计和制作，同时绕开电子瓶颈对调制速度的限制。

(6)石墨烯作为调制材料，具有超短响应时间、超宽波长调制范围、低功耗和高面积效率的优势。

(7)硅波导作为基本波导，与当今成熟的微电子加工工艺相兼容，相比于传统的基于光纤的调制器，更易于向器件的微型化和集成化趋势靠近。

附图说明

图1基于石墨烯的硅基光空间超快调制器结构示意图。

图2平板基底3平面区域划分情况。

图3实例一中的空间泵浦光图样在石墨烯层上的投射情况。

图4实例一中泵浦光图样与满光状态随时间切换情况。

图5实例一中的超快调制效果。

图6实例二中的空间泵浦光图样在石墨烯层上的投射情况。

图7实例二中泵浦光图样与满光状态随时间切换情况。

图8实例二中的超快调制效果。

具体实施方式

实施例1：

该调制结构包括硅波导1、石墨烯层2、SiO₂平板基底3、空间泵浦光图样4，如图1。组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于SiO₂平板基底3之上，石墨烯层2置于硅波导1的表面之上，包含调制信号的空间泵浦光图样4照射石墨烯层2。硅波导1的厚度250nm，宽度600nm，盘绕弯曲半径为70um,将SiO₂平板基底3平面按照图2进行区域划分，使每个小区域内的硅波导1部分长度均为600μm，整个平板基底1尺寸为7mm×1mm。所用石墨烯层2层数为1。载波从硅波导1一端通入，在另一端检测输出经过调制的信号。将调制信号[0 0 0 000……0 0 0 0 0 0]以空间光图样4的形式表现，将空间泵浦光图样4投射在SiO₂平板基底1表面上，空间泵浦光图样以图2中的划分小区域为单元，使平板基底1表面产生如图3的明暗分布，图中黑格为无泵浦光位置，白格为泵浦光照射位置。将空间泵浦光图样4与满光图样(SiO₂平板基底1表面全部被泵浦光照亮)周期性切换：2ps的空间泵浦光图样4与140ps的满光图样交替出现(图5)，可知控制频率为7Ghz。硅波导1输出端可得到与调制信号[0 0 0 00 0……0 0 0 0 0 0]对应的已调信号时间波形，如图6，重复频率为250Ghz，即调制频率。

实施例2：

该调制结构包括硅波导1、石墨烯层2、SiO₂平板基底3、空间泵浦光图样4，如图1。组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于SiO₂平板基底3之上，石墨烯层2置于硅波导1的表面之上，包含调制信号的空间泵浦光图样4照射石墨烯层2。硅波导1的厚度150nm，宽度300nm，盘绕弯曲半径为30um,将平板基底2平面按照图2进行区域划分，使每个小区域内的微细光纤3部分长度均为120μm，整个平板基底1尺寸为1.4mm×0.2mm。所用石墨烯层2层数为5。载波从硅波导1一端通入，在另一端检测输出经过调制的信号。将调制信号[0 1 0 0 11 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1……0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1]以空间光图样4的形式表现，将空间泵浦光图样4投射在SiO₂平板基底3表面上，空间泵浦光图样以图2中的划分小区域为单元，使SiO₂平板基底3表面产生如图4的明暗分布，图中黑格为无泵浦光位置，白格为泵浦光照射位置。将空间泵浦光图样4与满光图样(平板基底1表面全部被泵浦光照亮)周期性切换：0.4ps的空间泵浦光图样4与28ps的满光图样交替出现(图7)，可知控制频率为35Ghz。微细光纤3输出端可得到与调制信号[0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 01 1 0 0 0 1 1 1……0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1]对应的已调信号时间波形，如图8，重复频率为1250Ghz，即调制频率。

Claims (2)

1.基于石墨烯的硅基光空间超快调制器，包括硅波导1、石墨烯层2、SiO₂平板基底3、空间泵浦光图样4(图1)。具体组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于SiO₂平板基底3之上，石墨烯层2置于硅波导1的表面之上，包含调制信号的空间泵浦光图样4照射石墨烯层。

以较低频率切换短时间长度的空间泵浦光图样4与长时间长度的满光图样实现信号调制。

将高速调制信号编辑为为空间泵浦光图样4，使用不同的空间泵浦光图样4实现任意信号的高速调制。

2.根据权利要求1中描述的结构，各部分具体参数描述为：石墨烯层层数小于10，硅波导厚度小于几百纳米，盘绕弯曲半径相应取值避免弯曲损耗，光图样空间分辨率在百微米量级。