CN108388034A - 一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器及其线性化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯马赫‑曾德尔强度调制器及其线性化方法，包括第一调制臂、第二调制臂、第一正电极、第二正电极、负电极和衬底层，第一调制臂和第二调制臂为石墨烯脊型波导，且两调制臂构成马赫‑曾德尔干涉结构；所述石墨烯脊型波导从上到下依次包括第一脊部、石墨烯层、第二脊部；第一脊部与石墨烯层被第一隔离层隔离，第二脊部与石墨烯层被第二隔离层隔离；所述第一正电极和第二正电极分别位于第一调制臂和第二调制臂石墨烯脊型波导延伸出的石墨烯层上，负电极位于石墨烯脊型波导延伸出的第一隔离层上；输入端入射恒定功率的TE模式的光波，改变调制臂的偏置电压，测量调制器的输出光功率，得到调制器的透射光功率随偏置电压变化的曲线。

Description

一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器及其线性化方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器及其线性化方法。
背景技术
马赫-曾德尔电光调制器作为光纤通信链路的核心器件，在微波光子系统、光信号发射和处理系统中具有举足轻重的作用。利用马赫-曾德尔干涉结构，通过改变调制器调制臂中光场的相位差，从而改变两臂光场的干涉强度，以实现将电信号加载到光信号上的目的。但是，基于铌酸锂晶体的马赫-曾德尔电光调制器具有亚线性的正弦传输曲线，因此当电信号加载到光波上时，会引入非线性失真，严重限制了马赫-曾德尔电光调制器的使用场景与性能。在非线性失真中，影响最严重的是三阶交调失真，因此提高马赫-曾德尔电光调制器线性度的关键问题就是如何抑制三阶交调失真的产生(Jiang,W.,Tan,Q.,Qin,W.,Liang,D.,Li,X.,&Ma,H.,et al.(2015).A linearization analog photonic link withhigh third-order intermodulation distortion suppression based on dual-parallel Mach–Zehnder modulator.IEEE Photonics Journal,7(3),1-8)。
石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，在室温下具有200000cm2/Vs的超高载流子迁移率，同时在外加偏置电压下，其光导率也会发生变化，从而改变石墨烯波导的折射率和吸收率。内嵌石墨烯波导的折射率变化范围相比于传统硅波导材料提高了2个数量级。这些特有的光电特性使得石墨烯在光电子器件方面具有极其广泛的应用前景。当前基于石墨烯的电光调制器研究主要关注于提高其调制带宽、调制速率和降低器件功耗等特有参数上，其线性度调制特性较差。但在实际应用中，高线性度的石墨烯电光调制器对于高保真信号传输系统具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述的现有技术中基于石墨烯的电光调制器研究主要关注于提高其调制带宽、调制速率和降低器件功耗等特有参数上线性度调制特性较差的问题，提出一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器及其线性化方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器，包括第一调制臂、第二调制臂、第一正电极、第二正电极、负电极和衬底层，第一调制臂和第二调制臂为石墨烯脊型波导，且两调制臂构成马赫-曾德尔干涉结构；所述石墨烯脊型波导从上到下依次包括第一脊部、石墨烯层、第二脊部；第一脊部与石墨烯层被第一隔离层隔离，第二脊部与石墨烯层被第二隔离层隔离；所述第一正电极和第二正电极分别位于第一调制臂和第二调制臂石墨烯脊型波导延伸出的石墨烯层上，负电极位于石墨烯脊型波导延伸出的第一隔离层上。其工作原理为：当TE模式的光场入射进石墨烯马赫-曾德尔电光调制器之后，经过第一个Y型分支波导，分别进入第一调制臂和第二调制臂。通过第一正电极、第二正电极和负电极分别给上下两臂施加不同的偏置电压。由于石墨烯脊型波导的有效折射率会随着外部偏置电压的变化而改变，在两调制臂上偏置合适的偏置电压时，就能有效抑制三阶交调失真的产生。
优选地，所述石墨烯脊型波导中的石墨烯层与第二隔离层从第二脊部和衬底层的上表面延伸出来，并由石墨烯层与电极相连，第二隔离层一起延伸，主要起到支撑和对石墨烯层的保护作用。
优选地，所述第一脊部、第二脊部的材料为硅、锗、锗硅合金或I I I-V族半导体。
优选地，所述衬底层、第一隔离层、第二隔离层的材料为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氧化物或六方硼氮氧化物。
一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器线性化方法，包括以下步骤：
步骤1：确定第一脊部的厚度h1、宽度w1，第二脊部的厚度h2、宽度w2，第一隔离层的厚度h3、宽度w3，第二隔离层的厚度h4、宽度w4，第一调制臂和第二调制臂的长度L；
步骤2：根据步骤1中所得参数设计石墨烯马赫-曾德尔电光调制器，将调制器的任意调制臂的偏置电压固定为v0，该臂记为调制臂1，将另一调制臂记为调制臂2。从调制器的输入端入射恒定功率的TE模式的光波，改变调制臂2的偏置电压v1，测量该调制器的输出光功率，得到调制器的透射光功率随偏置电压变化的曲线，即为该石墨烯马赫-曾德尔电光调制器的传输函数；
步骤3：利用步骤2中的传输函数，寻找加载在调制臂2上使得三阶交调失真项最小和无杂散动态范围最大的最佳偏置电压，最终实现高线性度的石墨烯马赫-曾德尔电光调制器。
寻找最佳偏置电压的具体过程为：确定第一脊部的厚度h1、宽度w1，第二脊部的厚度h2、宽度w2，第一隔离层的厚度h3、宽度w3，第二隔离层的厚度h4、宽度w4，第一调制臂和第二调制臂的长度L。
按上述参数设计的石墨烯马赫-曾德尔电光调制器，将调制器的任意调制臂的偏置电压固定为v0，该调制臂记为调制臂1，另一调制臂记为调制臂2。从调制器的输入端入射恒定功率的TE模式的光波，改变调制臂2的偏置电压，测量调制器的输出光功率，得到调制器的透射光功率随偏置电压变化的曲线，即为该石墨烯马赫-曾德尔电光调制器的传输函数；
T＝T(v)
将v＝v1+vm(t)代入上述式子，其中v1表示调制臂2上所加直流偏置电压，vm(t)表示调制臂2上所加交流调制信号。以vm(t)为自变量对该式子进行泰勒级数展开得到：
式中各次项的系数Ak(v1)由h1、w1、h2、w2、h3、w3、h4、w4和v1确定。得到的系数表达式A3(v1)，求出A3(v1)的所有零点。
分别测量所得各零点处的调制器无杂散动态范围，无杂散动态范围最大者即为最佳偏置电压vx。将调制臂2的偏置电压固定为vx，并通过调制臂2加载交流调制信号vm(t)。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明中，利用石墨烯脊型波导的有效折射率与外部偏置电压的非线性关系来补偿传统马赫-曾德尔电光调制器传输曲线的亚线性，有效改善了马赫-曾德尔调制器的线性度，显著提高了马赫-曾德尔电光调制器的无杂散动态范围。
2.本发明中，由于石墨烯本身具有非常高的载流子迁移率，超快的响应特性，因此该石墨烯马赫-曾德尔电光调制器具调制带宽的优点。
3.本发明中，由于石墨烯脊型波导有效折射率的变化相比于传统的硅基波导提升较大，可以有效缩小实现π相移所需要的波导长度，减小了整个器件的尺寸。
4.本发明中，对于制备石墨烯马赫-曾德尔电光调制器的工艺上可与传统SOICMOS工艺兼容，易于集成。
附图说明
图1为本发明中石墨烯马赫-曾德尔强度调制器的横截面结构示意图；
图2为本发明中石墨烯波导结构的横截面结构以及连接关系示意图；
图3为本发明实施例2中调制器的传输曲线；
图4为本发明实施例2中调制器传输函数泰勒级数展开式各次项的系数与偏置电压v1的关系图；
图5为本发明实施例2最优偏置处的无杂散动态范围与传统马赫-曾德尔调制器对比图；
图中标记：1-第一调制臂，2-第二调制臂，3-第一正电极，4-第二正电极，5-负电极，6-第一脊部，7-第二脊部，8-石墨烯层，9-第一隔离层，10-第二隔离层，11-衬底层，12-石墨烯脊型波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器，包括第一调制臂、第二调制臂、第一正电极3、第二正电极4、负电极5和衬底层11，第一调制臂1和第二调制臂2为石墨烯脊型波导12，且两调制臂构成马赫-曾德尔尔干涉结构；所述石墨烯脊型波导12从上到下依次包括第一脊部6、石墨烯层8、第二脊部7；第一脊部6与石墨烯层8被第一隔离层9隔离，第二脊部7与石墨烯层8被第二隔离层10隔离；所述第一正电极3和第二正电极4位于石墨烯脊型波导12延伸出的石墨烯层8上，负电极5位于石墨烯脊型波导12延伸出的第一隔离层9上。
如图1-5所示，入射光波波长为1.55μm，入射光波的偏振模式为TE模式。第一调制臂1、第二调制臂2长度均为L＝112μm。石墨烯脊型波导12的第一脊部6的厚度h1＝0.17μm，宽度为w1＝0.4μm，第二脊部7的厚度h2＝0.17μm，宽度为w2＝0.4μm，第一隔离层9厚度h3＝5nm，第二隔离层10厚度h4＝5nm。按以上参数设计的石墨烯马赫-曾德尔尔电光调制器的下臂偏置电压固定为v0＝1V，在1-6V的区间内，改变第一调制臂1的偏置电压，得到调制器在1-6V区间内透射光功率随上臂偏置电压的变化曲线(如图3所示)，即为该调制器的传输函数T(v)。假设第一调制臂1的偏置电压为v1，第一调制臂1所加交流调制信号为vm(t)。将v＝v1+vm(t)带入传输函数T(v)中，并以vm(t)为自变量进行泰勒级数展开后得到：
式中Ak(v1)由h1、w1、h2、w2、h3、w3、h4、w4和v1确定，其中A3(v1)为vm 3(t)的系数，求出A3(v1)在1-6V区间内的所有零点，图4展示了A1(v1)、A3(v1)和A5(v1)在1-6V区间的变化情况。求得A3(v1)在1-6V区间内的所有零点包括：点A(1.6789V)、点B(2.7201V)、点C(3.5277V)、点D(4.7848V)和点E(5.5153V)。
分别求出A、B、C、D和E点的无杂散动态范围，其值依次为121.18dB/Hz4/5，121.80dB/Hz4/5，129.11dB/Hz4/5，116.63dB/Hz4/5和102.68dB/Hz4/5。A、B、C、D和E点相比于工作在线性区的标准马赫-曾德尔电光调制器的无杂散动态范围分别提高了：14.36dB、14.98dB、22.29dB、9.81dB和-4.14dB。所以上臂的最佳偏置点选为C点，图5展示了C点处石墨烯马赫-曾德尔电光调制器和工作在线性区的传统马赫-曾德尔电光调制器的无杂散动态范围。将调制器上臂的直流偏置电压固定为3.5277V，即可以实现抑制三阶交调失真，提高调制器线性度的目的。
由于石墨烯本身的超快响应特性，本实施例中石墨烯马赫-曾德尔调制器的理论调制带宽约为156GHz，整个器件的尺寸缩小至560μm2，并与目前的CMOS工艺兼容便于集成化实现。
实施例2
如图1-5所示，一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器及其线性化方法线性化方法，包括以下步骤：
步骤1：确定第一脊部6的厚度h1、宽度w1，第二脊部7的厚度h2、宽度w2，第一隔离层9的厚度h3、宽度w3，第二隔离层10的厚度h4、宽度w4，第一调制臂1和第二调制臂2的长度L；
步骤2：根据步骤1中所得参数设计石墨烯马赫-曾德尔电光调制器，将调制器的任意调制臂的偏置电压固定为v0，该臂记为调制臂1，将另一调制臂记为调制臂2。从调制器的输入端入射恒定功率的TE模式的光波，改变调制臂2的偏置电压v1，测量该调制器的输出光功率，得到调制器的透射光功率随偏置电压变化的曲线，即为该石墨烯马赫-曾德尔电光调制器的传输函数；
步骤3：利用步骤2中的传输函数，寻找加载在调制臂2上使得三阶交调失真项最小和无杂散动态范围最大的最佳偏置电压，最终实现高线性度的石墨烯马赫-曾德尔电光调制器。
寻找最佳偏置电压的具体过程为：确定第一脊部6的厚度h1、宽度w1，第二脊部7的厚度h2、宽度w2，第一隔离层9的厚度h3、宽度w3，第二隔离层10的厚度h4、宽度w4，第一调制臂1和第二调制臂2的长度L。
按上述参数设计的石墨烯马赫-曾德尔电光调制器，将调制器的任意调制臂的偏置电压固定为v0，该调制臂记为调制臂1，另一调制臂记为调制臂2。从调制器的输入端入射恒定功率的TE模式的光波，改变调制臂2的偏置电压，测量调制器的输出光功率，得到调制器的透射光功率随偏置电压变化的曲线，即为该石墨烯马赫-曾德尔电光调制器的传输函数；
将v＝v1+vm(t)代入上述式子，其中v1表示调制臂2上所加直流偏置电压，vm(t)表示调制臂2上所加交流调制信号。以vm(t)为自变量对该式子进行泰勒级数展开得到：
式中各次项的系数Ak(v1)由h1、w1、h2、w2、h3、w3、h4、w4和v1确定。得到vm 3(t)的系数表达式A3(v1)，求出A3(v1)的所有零点。
分别测量所得各零点处的调制器无杂散动态范围，无杂散动态范围最大者即为最佳偏置电压vx。将调制臂2的偏置电压固定为vx，并通过调制臂2加载交流调制信号vm(t)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器，其特征在于：包括第一调制臂(1)、第二调制臂(2)、第一正电极(3)、第二正电极(4)、负电极(5)和衬底层(11)，第一调制臂(1)和第二调制臂(2)为石墨烯脊型波导(12)，且两调制臂构成马赫-曾德尔干涉结构；
所述石墨烯脊型波导(12)从上到下依次包括第一脊部(6)、石墨烯层(8)、第二脊部(7)；第一脊部(6)与石墨烯层(8)被第一隔离层(9)隔离，第二脊部(7)与石墨烯层(8)被第二隔离层(10)隔离；
所述第一正电极(3)和第二正电极(4)分别位于第一调制臂(1)和第二调制臂(2)石墨烯脊型波导(12)延伸出的石墨烯层(8)上，负电极(5)位于石墨烯脊型波导(12)延伸出的第一隔离层(9)上。
2.根据权利要求1所述的石墨烯马赫-曾德尔强度调制器，其特征在于：所述石墨烯脊型波导(12)中的石墨烯层(8)与第二隔离层(10)从第二脊部(7)和衬底层(11)的上表面延伸出来，并由石墨烯层(8)与电极相连。
3.根据权利要求1所述的石墨烯马赫-曾德尔强度调制器，其特征在于：所述第一脊部(6)、第二脊部(7)的材料为硅、锗、锗硅合金或III-V族半导体。
4.根据权利要求1所述的石墨烯马赫-曾德尔强度调制器，其特征在于：所述衬底层(11)、第一隔离层(9)、第二隔离层(10)的材料为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氧化物或六方硼氮氧化物。
5.一种石墨烯马赫-曾德尔强度调制器线性化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定第一脊部(6)的厚度h1、宽度w1，第二脊部(7)的厚度h2、宽度w2，第一隔离层(9)的厚度h3、宽度w3，第二隔离层(10)的厚度h4、宽度w4，第一调制臂(1)和第二调制臂(2)的长度L；
步骤2：根据步骤1中所得参数设计石墨烯马赫-曾德尔电光调制器，将调制器的任意调制臂的偏置电压固定为v0，该臂记为调制臂1，将另一调制臂记为调制臂2，从调制器的输入端入射恒定功率的TE模式的光波，改变调制臂2的偏置电压v1，测量该调制器的输出光功率，得到调制器的透射光功率随偏置电压变化的曲线，即为该石墨烯马赫-曾德尔电光调制器的传输函数；
步骤3：利用步骤2中的传输函数，寻找加载在调制臂2上使得三阶交调失真项最小和无杂散动态范围最大的最佳偏置电压，最终得到高线性度的石墨烯马赫-曾德尔电光调制器。
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