CN112162420A - 一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构及其使用方法 - Google Patents

一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构及其使用方法，包括微环波导结构、信号调制结构、相位调制结构及调制耦合结构，微环波导结构为跑道型结构，包括两个圆弧波导及两段直波导，上部分直波导区域集成信号调制结构和相位调制结构，下部分直波导与调制耦合结构之间固定一定间距，信号调制结构、相位调制结构及调制耦合结构内分别嵌有石墨烯层，本发明提出了一种新的微环耦合调制结构，基于此结构的微环调制器能够微调微环与直波导间的耦合效率，使其达到我们想要的某一特定值，且精度较高，从而在需要精确控制耦合效率的应用场景中发挥作用，并且此结构的工作波长可调谐，该结构对于线性化的集成光子器件有着重要应用价值。

Description

一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构及其使用 方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构及其使用方法。
背景技术
电光调制器作为实现电信号与光信号之间相互转换的器件，在光通信系统中有着至关重要的作用，随着模拟调制需求的增加,人们通过各种途径来提高调制器的线性度,譬如电路预补偿技术、前馈补偿技术、双偏振技术、级联技术以及直接耦合方案等技术,但是这些技术都包含有复杂的电路或者复杂的光路，使得器件的成本难以压缩。
具有超线性的微环谐振器可以实现光路对马赫-曾德尔(MZM)调制器的线性补偿，通过引入微环结构，当工作于远离微环谐振点时，适当调节耦合参数，可以使得MZM调制器输出信号泰勒展开式的三次项为零，实现对三阶交调失真的抑制，有效提高MZM结构的线性度，在这类应用中，对于微环与直波导间的耦合效率也有着精确的要求，耦合效率要求控制在0.928，对于一般的微环耦合直波导，较高的耦合效率意味着较小的波导间距，而在较小耦合间距的情况下，微小的变化都会引起耦合效率较大的改变，这不仅大大提升了工艺的难度，且无法随波长调谐，对微环耦合效率无法实现精准的控制，降低了工艺容差，寻找一种可微调耦合效率的调制结构十分有必要。
发明内容
本发明的目的在于：针对以上现有技术所述的微环耦合效率无法在较高精度下调控和微环工作波长受限、不可调谐的技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构及其使用方法，该发明的技术方案提出了一种新的微环耦合调制结构，基于此结构的微环调制器能够微调微环与直波导间的耦合效率，使其达到我们想要的某一特定值，且精度较高，从而在需要精确控制耦合效率的应用场景中发挥作用，并且此结构的工作波长可调谐，该结构对于线性化的集成光子器件有着重要应用价值。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，具体包括微环波导结构、信号调制结构、相位调制结构、调制耦合结构，整个微环耦合调制结构安装在基底上。
进一步地，所述微环波导结构包括两个二分之一圆弧波导及两段直波导，两段直波导分别为上部分直波导及下部分直波导，所述微环波导结构为跑道型结构，上部分直波导区域集成信号调制结构和相位调制结构，下部分直波导与调制耦合结构之间固定一定间距。
进一步地，所述信号调制结构、相位调制结构及调制耦合结构内分别嵌有石墨烯层，石墨烯层与波导材料被一定厚度的隔离介质隔离，所述石墨烯层分别向远离微环波导结构一侧延伸，且分别与相应的电极相连。
具体地，所述石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，石墨烯在外加电压作用下，其化学势及电导率会随之发生改变，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用，在传统SOI波导中水平铺设石墨烯层，将偏置电压施加在石墨烯层上，改变石墨烯本身的复折射率，可以改变对入射光的吸收强度达到入射光的相位或振幅调制。
优选地，所述微环波导结构采用条形波导，尺寸为300X220nm，所述波导材料为硅。
优选地，所述基底的材料为二氧化硅。
优选地，所述隔离介质材质为六方氮化硼(hBN)，石墨烯与波导材料之间的隔离介质厚度为5nm。
优选地，所述结构中所有波导结构均为单模波导，在所选波长范围内仅支持单模传输，耦合调制区域的耦合长度为10μm，耦合间距为300nm，跑道型微环结构的圆弧波导半径均为50μm，直波导长度为10μm，信号调制结构、相位调制结构的长度均为4μm。
一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的使用方法，包括调谐工作波长步骤及石墨烯微调耦合效率步骤，具体如下：
调谐工作波长包括以下步骤：
1)对相位调制结构中的石墨烯添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV；
2)对微环耦合调制结构输入光信号；
3)确定微环波导结构中光信号远离谐振波长的位置，即为在相位调制结构处于0.8eV化学势时的工作波长；
4)调节加在相位调制结构中石墨烯层的偏压，使得该石墨烯层处于不同的化学势，对输入光信号进行相位调制，使得微环波导结构中光信号谐振波长随所加偏压变化，即工作波长随偏压可调谐。
石墨烯微调耦合效率包括以下步骤：
1)对调制耦合结构中的石墨烯层添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV；
2)对微环波导结构中输入波长为结构工作波长的光信号；
3)调节加在调制耦合结构中石墨烯层的偏压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述调制耦合结构的光信号耦合环境，进而改变耦合效率，调节偏压使得耦合效率达到目标耦合效率。
具体地，根据耦合理论分析，通过在微环耦合区域引入石墨烯结构，可以在石墨烯加上基础偏压的情况下预先先设计好结构尺寸，把耦合效率调控到我们需要的值附近，再通过改变石墨烯所加偏压的方式来微调耦合环境，从而实现对耦合效率的较高精度调控，同时，通过在微环上引入石墨烯结构，可以通过改变石墨烯所加偏压，改变调制区域的光相移，实现对微环上单周相移的调控，从而实现工作波长的可调谐。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明技术方案提出了一种新的微环耦合调制结构，基于此结构的微环调制器能够微调微环与直波导间的耦合效率，使其达到我们想要的某一特定值，且精度较高，从而在需要精确控制耦合效率的应用场景中发挥作用，并且此结构的工作波长可调谐，该结构对于线性化的集成光子器件有着重要应用价值，并通过仿真验证了结果的正确性；
(2)本发明基于石墨烯可以对光场进行相位和强度调制的原理，不需要更改器件结构就可以实现工作波长的可调谐，本发明利用石墨烯结构微调耦合结构的耦合环境，实现对耦合效率的调节，对耦合效率的调节与微环半径无关，对任意半径的微环都适用，本发明因其可微调，对工艺容差要求降低，有利于器件的制作。
附图说明
图1为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的立体结构示意图；
图2为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的俯视图；
图3为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的左视图；
图4为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构中相位调制结构2分别处于0.8eV和0.5eV化学势时，该调制结构在1.545μm-1.555μm入射光波长下的微环耦合谐振情况图；
图5为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构工作波长为1.548μm、耦合间距为300nm时，调制耦合结构3耦合效率和耦合长度的关系图；
图6为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构工作波长为1.548μm、耦合间距为300nm时，确定耦合长度为10μm，调制耦合结构3耦合效率和耦合区域石墨烯11化学势的关系图；
图7为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构工作波长为1.5455μm、耦合间距为300nm时，调制耦合结构3耦合效率和耦合长度的关系图；
图8为本发明一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构工作波长为1.5455μm、耦合间距为300nm时，确定耦合长度为10μm，调制耦合结构3耦合效率和耦合区域石墨烯11化学势的关系图；
图中标记为：1-信号调制结构，2-相位调制结构，3-调制耦合结构，4-电极，5-电极，6-隔离介质，7-电极，8-基底，9-微环波导结构，10--圆弧波导，11-下部分直波导，12-上部分直波导，13-石墨烯，14-石墨烯，15-石墨烯。
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，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，即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。
实施例1
如图1所示，一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，具体包括微环波导结构9、信号调制结构1、相位调制结构2、调制耦合结构3，整个微环耦合调制结构固定在基底8上。
微环波导结构9包括两个二分之一圆弧波导10、上部分直波导12及下部分直波导11，微环波导结构9为跑道型结构，上部分直波导12区域集成信号调制结构1和相位调制结构2，下部分直波导11与调制耦合结构3之间固定一定间距。
石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，石墨烯在外加电压作用下，其化学势及电导率会随之发生改变，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用，在传统SOI波导中水平铺设石墨烯层，将偏置电压施加在石墨烯层上，改变石墨烯本身的复折射率，可以改变对入射光的吸收强度达到入射光的相位或振幅调制。
信号调制结构1内嵌有石墨烯层14，相位调制结构2内嵌有石墨烯层15，调制耦合结构3内嵌有石墨烯层13，石墨烯层14、石墨烯层15、石墨烯层13与波导材料被一定厚度的隔离介质6隔离，石墨烯层14、石墨烯层15、石墨烯层13分别向远离微环波导结构9一侧延伸，且分别与电极5、电极4、电极7相连。
结构中的波导采用条形波导，尺寸为300X220nm，波导材料为硅，基底8的材料为二氧化硅，实现调制功能的材料为石墨烯，石墨烯层14、石墨烯层15、石墨烯层13与波导材料之间的隔离介质6为六方氮化硼(hBN)，所述结构中所有波导结构均为单模波导，在所选波长范围内仅支持单模传输，耦合调制区域的耦合长度为10μm，耦合间距为300nm，跑道型微环结构的圆弧波导半径均为50μm，直波导长度为10μm，信号调制结构1、相位调制结构2的长度均为4μm，石墨烯与波导材料之间有5nm厚的隔离介质6。
一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的使用方法，包括调谐工作波长步骤和石墨烯微调耦合效率步骤，具体如下：
调谐工作波长包括以下步骤：
1)对相位调制结构2中石墨烯15添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV；
2)对微环耦合调制结构输入光信号；
3)确定微环波导结构9中光信号远离谐振波长的位置，即为在相位调制结构2处于0.8eV化学势时的工作波长；
4)调节加在相位调制结构2中石墨烯层15的偏压，使石墨烯15处于不同的化学势，对输入光信号进行相位调制，使得微环波导结构9中光信号谐振波长随所加偏压变化，即工作波长随偏压可调谐。
石墨烯微调耦合效率包括以下步骤：
1)对调制耦合结构3中石墨烯13添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV；
2)对微环波导结构9中输入波长为结构工作波长的光信号；
3)调节加在调制耦合结构3中石墨烯层11的偏压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述调制耦合结构3的光信号耦合环境，进而改变耦合效率，调节偏压使得耦合效率达到目标耦合效率。
根据耦合理论分析，通过在微环耦合区域引入石墨烯结构，可以在石墨烯加上基础偏压的情况下预先先设计好结构尺寸，把耦合效率调控到我们需要的值附近，再通过改变石墨烯所加偏压的方式来微调耦合环境，从而实现对耦合效率的较高精度调控，同时，通过在微环上引入石墨烯结构，可以通过改变石墨烯所加偏压，改变调制区域的光相移，实现对微环上单周相移的调控，从而实现工作波长的可调谐。
实施例2
对相位调制结构2中石墨烯15添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV，确定本调制结构的工作波长为1.548μm，如图4所示，确定工作波长后，进一步调节调制耦合结构3中石墨烯13的偏压来实现对耦合效率的高精度调控。
图5是工作波长为1.548μm，耦合间距为300nm时，调制耦合结构3耦合效率和耦合长度的关系，从图中可以看出，当耦合长度为10μm时，耦合效率为0.9422，接近目标值(0.928)。
图6是工作波长为1.548μm，耦合间距为300nm时，确定耦合长度为10μm，调制耦合结构3耦合效率和耦合区域石墨烯13化学势的关系，从图中可以看出，当调制耦合结构3中石墨烯11处于0.47eV时，可以调控耦合效率精确达到目标值。
实施例3
对相位调制结构2中石墨烯15添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV，再调节石墨烯化学势为0.5eV，确定本调制结构的工作波长为1.5455μm，如图4所示，确定工作波长后，进一步调节所述调制耦合结构3中石墨烯13的偏压来实现对耦合效率的高精度调控。
图7是工作波长为1.5455μm，耦合间距为300nm时，调制耦合结构3的耦合效率和耦合长度的关系，从图中可以看出，当耦合长度为10μm时，耦合效率为0.9368，接近目标值(0.928)。
图8是工作波长为1.5455μm，耦合间距为300nm时，确定耦合长度为10μm，调制耦合结构3的耦合效率和耦合区域石墨烯13化学势的关系，从图中可以看出，当所述调制耦合结构3中石墨烯13处于0.485eV时，可以调控耦合效率精确达到目标值。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述微环耦合调制结构固定在基底(8)上，所述微环耦合调制结构包括微环波导结构(9)、信号调制结构(1)、相位调制结构(2)及调制耦合结构(3)，所述微环波导结构(9)包括两个圆弧波导(10)及两段直波导，所述信号调制结构(1)、相位调制结构(2)及调制耦合结构(3)内分别嵌有石墨烯层，所述石墨烯层与波导材料之间设置有隔离介质(6)，所述石墨烯层分别向远离微环波导结构(9)一侧延伸，且分别与相应的电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述两段直波导分别为上部分直波导(12)、下部分直波导(11)，所述上部分直波导(12)区域集成信号调制结构(1)和相位调制结构(2)，所述下部分直波导(11)与调制耦合结构(3)之间固定一定间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述微环波导结构(9)为跑道型结构，所述微环波导结构(9)的圆弧波导(10)半径为50μm，所述直波导的长度为10μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述信号调制结构(1)、相位调制结构(2)及调制耦合结构(3)内嵌有的石墨烯层分别为石墨烯层(14)、石墨烯层(15)、石墨烯层(13)。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述石墨烯层(14)、石墨烯层(15)、石墨烯层(13)分别与电极(5)、电极(4)、电极(7)相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述微环波导结构(9)中的波导采用条形波导，尺寸为300X220nm，所述波导的材料为硅，所述微环波导结构(9)中所有波导结构均为单模波导，在所选波长范围内仅支持单模传输。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述基底(8)的材料为二氧化硅，所述隔离介质(6)的材料为六方氮化硼。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构，其特征在于，所述信号调制结构(1)、相位调制结构(2)的长度均为4μm，所述隔离介质(6)的厚度为5nm。
9.一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的使用方法，其特征在于，包括调谐工作波长步骤及石墨烯微调耦合效率步骤，具体如下：
调谐工作波长包括以下步骤：
1)对相位调制结构(2)中石墨烯(15)添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV；
2)对微环耦合调制结构输入光信号；
3)确定微环波导结构(9)中光信号远离谐振波长的位置，即为在相位调制结构(2)处于0.8eV化学势时的工作波长；
4)调节加在相位调制结构(2)中石墨烯层(15)的偏压，使石墨烯(15)处于不同的化学势，对输入光信号进行相位调制，使得微环波导结构(9)中光信号谐振波长随所加偏压变化，即工作波长随偏压可调谐。
石墨烯微调耦合效率包括以下步骤：
1)对调制耦合结构(3)中石墨烯(13)添加偏置电压，预先调节化学势为0.8eV；
2)对微环波导结构(9)中输入波长为结构工作波长的光信号；
3)调节加在调制耦合结构(3)中石墨烯层(11)的偏压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述调制耦合结构(3)的光信号耦合环境，进而改变耦合效率，调节偏压使得耦合效率达到目标耦合效率。
10.根据权利要求9所述的一种基于石墨烯微调耦合效率的微环耦合调制结构的使用方法，其特征在于，所述相位调制结构(2)可以通过改变石墨烯(15)所加偏压，改变调制区域的光相移，实现对微环上单周相移的调控，从而实现工作波长的可调谐，所述调制耦合结构(3)可以在石墨烯(13)加上基础偏压的情况下预先设计好结构尺寸，把耦合效率调控到我们需要的值附近，再通过改变石墨烯所加偏压的方式来微调耦合环境，从而实现对耦合效率的较高精度调控。
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