CN111367098B

CN111367098B - 一种基于石墨烯周期结构的电光移相器

Info

Publication number: CN111367098B
Application number: CN202010458201.1A
Authority: CN
Inventors: 屈世伟; 曾元松
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: CN111367098A

Abstract

该发明公开了一种基于石墨烯周期结构的电光移相器，属于集成光芯片、高速光通信、集成光学相控阵领域，特别是电光移相器领域。本发明采用在硅块和电极之间设置石墨烯薄膜，且石墨烯薄膜靠近硅块的一侧为波状结构，克服了光电模场重合因子与光损耗之间存在的制约关系，从而使本发明电光移相器相比传统电光移相器具有更低的光损耗和半波电压。

Description

一种基于石墨烯周期结构的电光移相器

技术领域

本发明属于集成光芯片、高速光通信、集成光学相控阵领域，特别是电光移相器领域。

背景技术

当代数据中心，云计算，物联网等应用需要将电信号调制在光波中，以利用光纤进行长距离传输。为了实现高效的电光调制，高性能、低功耗的电光移相器是关键组件。另外，电光移相器可作为片上集成移相器对光天线的相位进行调控。因此，电光移相器也是集成光学相控阵的关键组件。为了实现高效的移相，需要尽可能地提升移相器中所传输的电场与光场之间的模式重合度。现有的电光移相器包括: 包括基底、左硅块、右硅块、左电极、右电极、光电聚合物，其中左硅块、右硅块、左电极、右电极都设置于基底上表面，左硅块、右硅块为长条块状结构，并列设置基底中部的上表面，且左硅块和右硅块之间间隔有缝隙；所述左电极为长条形电极，并列设置于左硅块的左侧，且不与左硅块接触；所述右电极的结构和设置方式与左电极完全相对于左硅块、右硅块之间的缝隙对称；所述光电聚合物覆盖于左硅块、右硅块、左电极、右电极和整个基底之上；现有的电光移相器如图3的第一种电光移相器，光电模场重合因子的增大将导致更大的光损耗，即光电模场重合因子与光损耗之间存在相互制约的关系；这限制了电光移相器性能的提升。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于石墨烯周期结构的电光移相器，克服光电模场重合因子与光损耗之间存在的制约关系，同时实现了高效的移相与低的光损耗。

本发明具体的技术方案为一种基于石墨烯周期结构的电光移相器，包括基底、左硅块、右硅块、左石墨烯薄膜、右石墨烯薄膜、左电极、右电极、光电聚合物，其中左硅块、右硅块、左石墨烯薄膜、右石墨烯薄膜、左电极、右电极都设置于基底上表面，左硅块、右硅块为长条块状结构，并列设置基底中部的上表面，且左硅块和右硅块之间间隔有缝隙；所述左石墨烯薄膜为长条形薄膜，并列设置于左硅块的左侧且不与左硅块接触；所述左电极为长条形电极，并列设置于左石墨烯薄膜的左侧，且与左石墨烯薄膜电接触；所述右石墨烯薄膜、右电极的结构完全与左石墨烯薄膜、左电极的结构相同，右石墨烯薄膜、右电极的位置与左石墨烯薄膜、左电极的位置相对于左硅块、右硅块之间的缝隙对称；所述光电聚合物不仅填充了左石墨烯薄膜与左硅块之间的间隔、左硅块与右硅块之间的缝隙、右硅块与右石墨烯薄膜之间的间隔，还将左硅块、右硅块、左石墨烯薄膜、右石墨烯薄膜、左电极、右电极和剩余基底上表面覆盖；其特征在于所述左石墨烯薄膜靠近左硅块的一侧和右石墨烯薄膜靠近右硅块的一侧为波状周期结构。

进一步的，所述左石墨烯薄膜或右石墨烯薄膜的波状周期结构的周期小于光波长的一半，左石墨烯薄膜或右石墨烯薄膜到左硅块与右硅块之间缝隙的距离小于光波长的四分之一。

进一步的，所述左石墨烯薄膜或右石墨烯薄膜的波状周期结构为方波状周期结构、或锯齿状周期结构、或正弦波波状周期结构。

进一步的，所述左石墨烯薄膜或右石墨烯薄膜的波状周期结构为方波状周期结构，并且左硅块的宽度为240 nm，高度为220 nm；左硅块和右硅块之间的缝隙宽度为120nm；左石墨烯薄膜和右石墨烯薄膜的方波状周期结构的周期长度为370 nm、方波的深度为300 nm；左石墨烯薄膜与左硅块的距离为100 nm。

本发明采用在硅块和电极之间设置石墨烯薄膜，且石墨烯薄膜靠近硅块的一侧为波状周期结构，该结构使的本发明电光移相器比传统电光移相器的光损耗和半波电压更低。

附图说明

图1为本发明电光移相器的正面剖视图。

图2为本发明实施例1中电光移相器去除了光电聚合物后的俯视图。

图3为本发明实施例1中电光移相器与传统电光移相器、无波状周期结构的石墨烯薄膜电光移相器之间的性能对比图。

图4为利用本发明实施例1中电光移相器构造的马赫-曾德尔型电光调制器结构图。

图5为利用本发明实施例1中电光移相器构造的马赫-曾德尔型电光调制器的输出-施加电压曲线图。

图6为本发明实施例2中电光移相器除了光电聚合物后的俯视图。

图7为利用本发明实施例2中电光移相器构造的马赫-曾德尔型电光调制器的输出-施加电压曲线图。

图8为本发明实施例3中电光移相器去除了光电聚合物后的俯视图。

图9为利用本发明实施例3中电光移相器构造的马赫-曾德尔型电光调制器的输出-施加电压曲线图。

图中，101.左硅块，102.右硅块，103.缝隙，104.左石墨烯薄膜，105.右石墨烯薄膜，106.左电极，107.右电极，108.周期结构，109.光电聚合物，110.左光路，111.右光路，112.左电光移相器，113.右电光移相器，114.输出端。

具体实施方式

实施例1

本实施例中电光移相器结构如图1和图2所示。本实施例中电光移相器基于硅基平台，左硅块101和右硅块102的宽度为240 nm，高度为220 nm；光信号将在左硅块和右硅块之间构成的缝隙103内传播，缝隙103的宽度为120 nm。左石墨烯薄膜104和右石墨烯薄膜105对称分布于左硅块101和右硅块102两侧，起到传输电信号的作用。左石墨烯薄膜104、右石墨烯薄膜105分别对应与左电极106、右电极107相连。左石墨烯薄膜104、右石墨烯薄膜105靠近电光移相器中心轴线的一侧刻有周期状方波结构108，方波的周期为370 nm，方波的深度为300 nm。左石墨烯薄膜104与左硅块101的距离d为100 nm。电光聚合物109作为覆层覆盖了整个结构，包括缝隙103。

图3对比了传统电光移相器、无波状周期结构的石墨烯薄膜电光移相器、本实施例中电光移相器之间的性能。在传统电光移相器中，光波导的材料与尺寸与本实施例相同，且同样采用电光聚合物作为覆层，但不带有石墨烯薄膜，其直接采用金属电极传输电信号，电极间距为4 μm。由于直接采用电极传输电信号，传统电光移相器的电场集中在电极附近，而光场则集中在缝隙103中；这使得电场无法有效作用于光场集中的区域，其调制效率低下，相应的半波电压长度积为41.7 V•mm。半波电压长度积表示该移相器实现180°相移时所需的电压与长度的乘积，是评价电光移相器性能的关键指标，越小代表性能越佳。无波状周期结构的石墨烯薄膜电光移相器有效地将电场集中在了光波导区域，其半波电压长度积为9V•mm，带来了远低于传统电光移相器的半波电压长度积，但是，石墨烯薄膜的引入额外带来了6.04 dB/mm的光损耗。本实施例中电光移相器同时提供了低的半波电压长度积10.6 V•mm以及低的光损耗1.68 dB/mm，半波电压长度积约为传统电光移相器的四分之一，光损耗相当于无波状周期结构的石墨烯薄膜电光移相器的三分之一。

为了进一步说明本发明中的电光移相器的优势，利用本发明中的电光移相器构造了马赫-曾德尔型电光调制器。如图4所示，输入光经功分器分为等功率的两个光路：左光路110和右光路111；本实施例所提出的左电光移相器112、右电光移相器113分别对两路光进行调相，构成了马赫-曾德尔型电光调制器的两臂，两臂的长度均为600 μm。经调相后的两路光在输出端114进行干涉；当两路光处于同相状态时在输出端114相涨，对应输出为极大值；当两路光处于反相状态时，在输出端114相消，对应输出为极小值。

图5给出了该马赫-曾德尔型电光调制器的输出随所施加电压的变化曲线。作为对比，图5中也给出了两臂由传统电光移相器进行调相的马赫-曾德尔型电光调制器的输出随所施加电压的变化曲线。从图5中可以看出本实施例的电光移相器使得马赫-曾德尔型电光调制器的半波电压从传统型的37.8 V降低到8.75 V，带来了显著的效率提升。

实施例2

本实施例如图6所示，除左石墨烯薄膜和右石墨烯薄膜一侧的波状周期结构为锯齿状外，其余结构完全与实施例1相同。

表1对比了传统电光移相器、无波状周期结构的石墨烯电光移相器、本实施中电光移相器的性能。相比于传统的电光移相器，本发明中的电光移相器大幅降低了半波电压长度积；相比于采用无波状周期结构的石墨烯电光移相器，本发实施例中电光移相器大幅降低了光损耗。

表1.传统电光移相器、无波状周期结构的石墨烯电光移相器、本发明实施例2中电光移相器的性能对比；

	传统电光移相器	无波状周期结构的石墨烯电光移相器	本发明实施例2中电光移相器
				光损耗	参考（0 dB/mm）	6.04 dB/mm	1.42 dB/mm
半波电压长度积<i>V</i><sub><i>π</i></sub><i>L</i>	41.7 V•mm	9.0 V•mm	13.44 V•mm

图7给出了本实施例中电光移相器构成的马赫-曾德尔型电光调制器的输出随所施加电压的变化曲线；作为对比，图7中也给出了两臂由传统电光移相器进行调相的马赫-曾德尔型电光调制器的输出随所施加电压的变化曲线。从图7中可看出本实施例中电光移相器使得马赫-曾德尔型电光调制器的半波电压从传统型的37.8 V降低到11.2 V，带来了显著的效率提升。

实施例3

如图8所示、除左石墨烯薄膜和右石墨烯薄膜一侧的波状周期结构为正弦波状外，其余结构完全与实施例1相同。

表2对比了传统电光移相器、无波状周期结构的石墨烯电光移相器、本发明实施例3中电光移相器的性能；本实施例中的电光移相器大幅降低了半波电压长度积；相比于采用无波状周期结构的石墨烯电光移相器，本实施例中电光移相器大幅降低了光损耗。

表2为传统电光移相器、无波状周期结构的石墨烯电光移相器、本发明实施例3中电光移相器的性能对比图。

	传统电光移相器	无波状周期结构的石墨烯电光移相器	本发明实施例3中电光移相器
				光损耗	参考（0 dB/mm）	6.04 dB/mm	1.81 dB/mm
半波电压长度积<i>V</i><sub><i>π</i></sub><i>L</i>	41.7 V•mm	9.0 V•mm	11.82 V•mm

图9给出了本实施例中电光移相器构成的马赫-曾德尔型电光调制器的输出随所施加电压的变化曲线。作为对比，图9中也给出了两臂由传统电光移相器进行调相的马赫-曾德尔型电光调制器的输出随所施加电压的变化曲线。从图9中可看出本实施例中电光移相器使得马赫-曾德尔型电光调制器的半波电压从传统型的37.8 V降低到 9.85V，带来了显著的效率提升。

Claims

1.一种基于石墨烯周期结构的电光移相器，包括基底、左硅块、右硅块、左石墨烯薄膜、右石墨烯薄膜、左电极、右电极、光电聚合物，其中左硅块、右硅块、左石墨烯薄膜、右石墨烯薄膜、左电极、右电极都设置于基底上表面，左硅块、右硅块为长条块状结构，并列设置基底中部的上表面，且左硅块和右硅块之间间隔有缝隙；所述左石墨烯薄膜为长条形薄膜，并列设置于左硅块的左侧且不与左硅块接触；所述左电极为长条形电极，并列设置于左石墨烯薄膜的左侧，且与左石墨烯薄膜电接触；所述右石墨烯薄膜、右电极的结构完全与左石墨烯薄膜、左电极的结构相同，右石墨烯薄膜、右电极的位置与左石墨烯薄膜、左电极的位置相对于左硅块、右硅块之间的缝隙对称；所述光电聚合物不仅填充了左石墨烯薄膜与左硅块之间的间隔、左硅块与右硅块之间的缝隙、右硅块与右石墨烯薄膜之间的间隔，还将左硅块、右硅块、左石墨烯薄膜、右石墨烯薄膜、左电极、右电极和剩余基底上表面覆盖；其特征在于所述左石墨烯薄膜靠近左硅块的一侧和右石墨烯薄膜靠近右硅块的一侧为方波状周期结构、或锯齿状周期结构、或正弦波波状周期结构。

2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯周期结构的电光移相器，其特征在于所述左石墨烯薄膜的波状周期结构的周期小于光波长的一半，左石墨烯薄膜到左硅块与右硅块之间缝隙的距离小于光波长的四分之一。

3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯周期结构的电光移相器，其特征在于所述左石墨烯薄膜的波状周期结构为方波状周期结构，并且左硅块的宽度为240 nm，高度为220 nm；左硅块和右硅块之间的缝隙宽度为120 nm；左石墨烯薄膜的方波状周期结构的周期长度为370 nm、方波的深度为300 nm；左石墨烯薄膜与左硅块的距离为100 nm。