[发明专利]基于石墨烯的新型电光调制器的结构设计

说明书

技术领域

基于石墨烯的新型电光调制器是属于光通信领域，涉及光波导技术。

背景技术

电光调制器在光纤通信系统里扮演了十分重要的一个角色。由于互联网的突发性等因素导致光纤通信从传统的两点通信发展为网络化，例如密集波分复用(DWDM:Dense Wavelength Division Multiplexing)的高性能、大容量的全光网络。光纤通信单信道的传输极限是100Gb/s，但是我们目前的终端信号处理能力相对于光纤本身的巨大传输能力就拙荆见肘了，所以电光调制器作为光收发模块的重要部件，它的研究意义就变得十分重要了。

高速电光调制器是光电开关的基础，除了应用于光纤通信外，还有很多其他的用途。高速相位调制器可以用于相干光纤通信系统，在密集波分复用的光纤通信系统中多用于产生多光频的梳形发生器，又或者用作于激光束的电光移频器。石墨烯电光调制器具有非常优秀的特性，可以用于光纤有线电视(CATV)系统、无线通信系统中继站和中继站之间的光链路和高速A/D转换器。另外，高速电光调制器除了用于以上的高数据率的数字光纤系统外，还可以在光时分复用(OTDM)系统中产生出高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子，在先进雷达的欺骗系统中充当光子带宽微波移相器以及移频器，在微波相控阵雷达中充当光子时间延迟器，用于高速光波元件分析仪器，用于测量微弱的微波电场等等。

石墨烯(Graphene)是近几年发展非常迅猛的一种新型二维无机纳米材料。自从它被发现以来，在化学、电子、物理、材料等领域都得到了广阔的应用。它出色的导电导热性能使它成为了一种非常理想的无机纳米材料，在半导体光电器件中，石墨烯也有非常广大的应用前景。相比较于传统的半导体材料，石墨烯在很多方面都具有显著的优势。比如石墨烯中的载流子的迁移率可以达到15000cm²/(V·s),这相当于光速的1/300，远远超过了其他的半导体材料。由于石墨烯是单原子层的结构，在可见光区的透过率高达97％以上，有着优越的光学性能。

电光调制器在光通信领域里是十分重要的一个器件，而以石墨烯作为介质的电光调制器，具有传统电光调制器所不具备的很多优势。它大大提高了调制器的调制带宽、调制速率，拥有更小的损耗，而且石墨烯制备技术也已经比较成熟，制作成本比较低廉，且储量丰富。石墨烯调制器取代传统的硅基半导体电光调制器已是必然。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是如何利用石墨烯作为介质设计制作出调制效果更好的光波导，并以此为基础提高相应电光调制器的各项性能参数。

整个调制器采用的是Mach-Zehnder结构。其组成见附图1、2。装置的参数已经标示在图中，该装置由金属电极、石墨烯层以及脊型波导组成。

图1中，调制器波导的两臂5间隔为3μm，波导的宽度为390nm，高度为335nm。金属电极1、2、3分别位于波导两臂的两侧550nm远处，石墨烯层4穿过脊波导分别和电极1、2、3相连。

图2中，在底部是一个450nm厚度的二氧化硅基底10，在基底层上方是一个90nm厚的硅波导高折射率层9，在其上方是一个两端连接光栅耦合器的390nm宽度和335nm厚度的硅脊型波导8。为了提高调制器的调制效率，我们在硅波导的中间增加了一个石墨烯层12。可以在图中看到，位于Si波导中间的就是一个类似于三明治结构的石墨烯层结构。每两层石墨烯之间都由5nm厚度的hBN(六方氮化硼)材料7隔开，形成一个电容器的结构，hBN是一种很好的电绝缘材料。多余的石墨烯层通过氧化物11和波导隔开。石墨烯层正好位于硅波导光场分布的最大区域，这样的话，石墨烯层的吸收效率就能最大化，能够大大地提高调制器的性能。

石墨烯层的加入大大减小了硅波导的RC常数，极大地提高了调制器的调制速率，同时也减小了调制器的损耗。由于石墨烯具有极其优异的电光特性，石墨烯中的载流子的迁移率可以达到15000cm²/(V·s),这相当于光速的1/300，远远超过了其他的半导体材料，再加上本身是单原子层的结构，在可见光区的透过率高达97％以上，可以吸收2.3％的正常入射的紫外光和可见光，所以石墨烯调制器相对于传统的电光调制器具有更大的调制带宽。