CN107015384A - 基于石墨烯栅层硅波导的电光任意波形发生器 - Google Patents

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白冰
王吉
张艳
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Abstract

基于石墨烯栅层硅波导的电光任意波形发生器，涉及任意波形发生器领域。该脊形波导调制器结构底层用绝缘体上硅SOI作为基底，若干层石墨烯与hBN层插入脊形波导中部，顶层蒸镀一层多晶硅，正负电极阵列在硅波导两侧与石墨烯层相连，形成一个调制单元，多个单元调制器重复排列。将所需波形编辑成随时间变化的空间电信号阵列，正电极阵列3的各单元正电极与负电极阵列4的各单元正电极分别连接石墨烯栅层2各单元的两端施加该空间电信号阵列。脊波导宽度600nm，高度250nm，石墨烯为双层，单元长度为300μm，相邻单元间距为280μm，单元数30，hBN层厚度7nm。石墨烯栅层2空间周期在微米量级。

Description

基于石墨烯栅层硅波导的电光任意波形发生器
技术领域
本发明属于通信用硅基器件领域，特别涉及电光任意波形发生器。
背景技术
任意波形发生器是产生受控产生任意波形的器件。本发明提出的电光任意波形发生器，在许多领域有着潜在的应用前景，满足下一代网络对于超高速传输速率和超快带宽的需求：如任意波形光脉冲OAWG可以产生宽带微波信号，比如适合通信的高斯信号以及能量效率较高的波形；OAWG可以提供复杂的全光矢量调制格式，如QAM、QPSK、DPSK、DSB-SC等，提高传输频谱效率；OAWG可以对接收信号进行色散补偿，提高信号质量；OAWG可以进行太赫兹信号合成，适应超高速通信系统；OAWG在全光报文分组网络中善生光标签；以及产生任意微波信号，如多通道时分复用的射频任意波形。
目前，可以从频域和时域两个角度实现来控制光波形。频域方法主要基于衍射光栅、阵列波导和光纤光栅等器件。基于衍射光栅的方法利用衍射光栅将输入光脉冲的频谱成分在空间上进行分离，光脉冲形状由掩膜版在频域上的傅里叶变换模式决定。固定掩膜版无法实时调控，而用可编程的光调制器替代可以对不同空间位置的光进行幅度和相位调节，然而实现任意波形的输出要求空间光调制器具有较高的调制带宽和空间分辨率。基于阵列波导的方法整形的谱线数量受到其自由光谱范围的限制，目前最多为49条，同时相邻通道间色度的干扰也是在频域中无法避免的。基于光纤光栅的整体结构有利于构建简单低损耗的全光系统。由于具有复杂反射谱的光纤光栅制作难度较高，Naum K.Berger等人级联均匀光纤布拉格光栅，并设计了各光栅的反射率、时延和相移。其他产生任意波形的方法还有：色散补偿光纤结合电光相位调制器；基于微波光子滤波器(MZ干涉仪结合电光调制器)；产生任意形状控制电脉冲控制激光；利用交叉相位调制中产生的非线性相移和光纤环境对光脉冲整形；利用非线性高双折射光纤实现脉冲整形；以及脉冲堆积等办法。
频域波形控制方法在实际应用中对于外界环境有较高的要求，分布在空间中的不同频率成分很难对于环境噪声有相同的响应，影响了控制的准确性。很多情况下频域的方法是对各波长分别进行相位操作，这要求器件制作有很高的精度。同时，频域方法基于光梳输入，这对光梳的数量和频率间隔都有要求。采用合适的时域方法可以有效地减小环境的影响，同时降低器件的制作难度。基于调制器的时域方法要求调制器具有超快的响应速度、调制深度和很小的尺寸，以石墨烯为代表的二维材料是很好的选择。
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。
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。
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。
上述石墨烯硅波导的电光任意波形发生器在空间上对不同位置的光载波进行不同的吸收，实现时域上任意光波形的产生，具有上述石墨烯空间调制器的所有优点，是它的一种应用。
发明内容
本发明提出了石墨烯硅波导的电光任意波形发生器，目的是精确产生无限定范围任意需要的各种波形。
本发明基本原理：硅材料是一种具有较高的折射率的半导体材料，对光的限制作用强，能将其中通过的光较好的限制于脊形结构的调制器中心，在光强强度最大处加入若干层石墨烯，增大光与石墨烯耦合面积，提高耦合效率，使通过波导中心的光载波在石墨烯层中接受调制。此外，在硅层之间加入六方氮化硼(hBN)，使得器件的电容电阻时间常数降低，使调制深度与调制速度得到大幅度提升。硅基调制器两侧的正负电极分别向石墨烯层单元同时施加电压，同时改变整个石墨烯单元的费米能级，改变石墨烯对光的吸收特性，从而调节其对所在位置载波的吸收能力。将任意所需波形拆解编辑为随时间变化的电信号，将变化的电信号由各个电极分别施加在石墨烯层上，使石墨烯层的吸收特性在沿硅波导延伸方向形成与空间电信号阵列相同的空间分布，对载波进行可调的多位置同时吸收。石墨烯超短的载流子驰豫时间使各个位置载波被吸收形成的波形具有以下特点：幅度可由其位置电信号控制，形状非常接近矩形，但宽度只有微米级，故可近似为曲线。各个位置经吸收的载波的波形按空间顺序组合形成波包，即产生了所需的波形。
本发明具体物理实现方式：该任意波形发生器包括脊形波导调制器1、若干石墨烯栅层2、正电极阵列3、负电极阵列4、平面基底5、hBN层6。组合方式：该脊形波导调制器结构用绝缘体上硅SOI作为基底，若干层石墨烯与hBN层插入脊形波导中部，顶层蒸镀一层多晶硅，正负电极阵列在硅波导两侧与石墨烯层相连，形成一个调制单元，多个单元调制器重复排列，形成如图1结构。将所需波形编译成随时间变化的空间电信号阵列，正电极阵列的各单元正电极与负电极阵列的各单元负电极分别链接石墨烯栅层各单元两端施加该空间电信号阵列。经过上述设计，通过以较低频率改变电极阵列所施加的空间电信号阵列，可以精确产生任意所需波形。
本发明具体有益效果：
1.本发明可以产生无限定范围的任意波形。
2.本发明产生的任意波形具有极高的精度，所需波形由各位置经吸收的载波波形组成，其长度为百微米量级，其对应的时间长度为飞秒量级。
3.石墨烯作为调制材料，具有超快载流子速度、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。
4.硅基集成光波导的制作与当今成熟而先进的微电子加工工艺相兼容，相比于传统光调制器，具有工作带宽大，器件尺寸较小，易于制作，具有较高的可行性。
5.波导方向大尺寸的石墨烯层可以在同一时间点加载大空间长度的所需波形，降低了所需的电极阵列所加电压的变化速度，从而以很低控制速度实在任意波形发生。
6.将传统的单点调制器转变为空间调制器，使大量信息同步加载，避免了高频电压产生的高损耗问题，降低了成本。
附图说明
图1基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意波形发生器结构示意图。
图2实例一中所需产生的波形。
图3实例一中正负电极对31、41所加电信号。
图4实例一中正负电极对32、42所加电信号。
图5实例一中正负电极对33、43所加电信号。
图6实例一中正负电极对34、44所加电信号。
图7实例一中正负电极对35、45所加电信号。
图8实例一中正负电极对36、46所加电信号。
图9实例一中正负电极对37、47所加电信号。
图10实例一中正负电极对38、48所加电信号。
图11实例一中正负电极对39、49所加电信号。
图12实例一中正负电极对310、410所加电信号。
图13实例一中正负电极对311、411所加电信号。
图14实例一中正负电极对312、412所加电信号。
图15实例一中正负电极对313、413所加电信号。
图16实例一中正负电极对314、414所加电信号。
图17实例一中正负电极对315、415所加电信号。
图18实例一中正负电极对316、416所加电信号。
图19实例一中正负电极对317、417所加电信号。
图20实例一中正负电极对318、418所加电信号。
图21实例一中正负电极对319、419所加电信号。
图22实例一中正负电极对320、420所加电信号。
图23实例一中正负电极对321、421所加电信号。
图24实例一中正负电极对322、422所加电信号。
图25实例一中正负电极对323、423所加电信号。
图26实例一中正负电极对324、424所加电信号。
图27实例一中正负电极对325、425所加电信号。
图28实例一中正负电极对326、426所加电信号。
图29实例一中正负电极对327、427所加电信号。
图30实例一中正负电极对328、428所加电信号。
图31实例一中正负电极对329、429所加电信号。
图32实例一中正负电极对330、430所加电信号。
图33实例一中实际产生的波形。
图34实例二中所需产生的波形。
图35实例二中正负电极对(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)电信号。
图36实例二中正负电极对(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)电信号。
图37实例二中正负电极对(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)电信号。
图38实例二中正负电极对(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)电信号。
图39实例二中正负电极对(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)电信号。
图40实例二中正负电极对(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)电信号。
图41实例二中正负电极对(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)电信号。
图42实例二中正负电极对(38,48)、(316,416)电信号。
图43实例二中实际产生的波形。
具体实施方式
实施例一：
该任意波形发生器包括脊形硅波导1、石墨烯栅层2、正电极阵列3(正电极单元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、负电极阵列4(负电极单元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5、hBN层6(图1)。组合方式为：该脊形波导调制器结构用绝缘体上硅SOI作为基底，若干层石墨烯与hBN层插入脊形波导中部，顶层蒸镀一层多晶硅，正负电极阵列在硅波导两侧与石墨烯层相连，形成一个调制单元，多个单元调制器重复排列，形成如图1结构。脊波导宽度600nm，高度250nm，石墨烯为双层，单元长度为300μm，相邻单元间距为280μm，单元数30，hBN层厚度7nm。载波从硅波导1一端通入，在另一端检测产生的波形。将所需波形(如图2)编辑为随时间变化的空间电信号阵列，体现在各个正负电极对上电信号，分别如图3到图32所示，施加在各正负电极对对应的石墨烯栅层单元上，在硅波导1输出端可得到发生的波形(图33)。
实施例二：
该任意波形发生器包括脊形硅波导1、石墨烯栅层2、正电极阵列3(正电极单元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、负电极阵列4(负电极单元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5、hBN层6(图1)。组合方式为：该脊形波导调制器结构用绝缘体上硅SOI作为基底，若干层石墨烯与hBN层插入脊形波导中部，顶层蒸镀一层多晶硅，正负电极阵列在硅波导两侧与石墨烯层相连，形成一个调制单元，多个单元调制器重复排列，形成如图1结构。所用石墨烯栅层2层数为2。载波从硅波导1一端通入，在另一端检测产生的波形。将所需波形(如图34)编辑为随时间变化的空间电信号阵列，体现在各个正负电极对上电信号，正负电极对(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)电信号如图35所示，正负电极对(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)电信号如图36所示，正负电极对(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)电信号如图37所示，正负电极对(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)电信号如图38所示，正负电极对(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)电信号如图39所示，正负电极对(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)电信号如图40所示，正负电极对(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)电信号如图41所示，正负电极对(38,48)、(316,416)电信号如图42所示，施加在各正负电极对对应的石墨烯栅层单元上，在硅波导1输出端可得到发生的波形(图43)。

Claims (2)

1.基于石墨烯栅层硅波导的电光任意波形发生器，其特征在于：该任意波形发生器包括硅波导1、石墨烯栅层2、正电极阵列3(正电极单元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、负电极阵列4(负电极单元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5、hBN层6(图1)。组合方式为：该脊形波导调制器结构底层用绝缘体上硅SOI作为基底，若干层石墨烯与hBN层插入脊形波导中部，顶层蒸镀一层多晶硅，正负电极阵列在硅波导两侧与石墨烯层相连，形成一个调制单元，多个单元调制器重复排列，在硅波导输出端可得到发生的波形。
将所需波形编辑为随时间变化的空间电信号阵列，体现在各个正负电极对上电信号。
2.根据权利要求1中描述的结构，各部分具体参数描述为：脊波导宽度600nm，高度250nm，石墨烯为双层，单元长度为300μm，相邻单元间距为280μm，单元数30，hBN层厚度7nm。
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