[发明专利]一种基于石墨烯的波导集成的多模电光调制器及制作方法

说明书

本发明公开一种基于石墨烯的波导集成的多模电光调制器及制作方法。调制器包括第一石墨烯纳米带层、第二石墨烯纳米带层、绝缘体包层、多模脊状波导、第一电极对、第二电极对、第三电极对、绝缘层和衬底层；多模脊状波导支持两种横电模(TE)即TE₀模与TE₁模同时传输；第一石墨烯纳米带层和第二石墨烯纳米带层集成于多模脊状波导的上方；所述的绝缘体包层用于实现多模脊状波导与第一石墨烯纳米带层和第二石墨烯纳米带层的电隔离；所述第一电极对与第一石墨烯纳米带层相连，第二电极对与第二石墨烯纳米带层相连。第三电极对与多模脊状波导相连，用于为石墨烯提供背栅电压。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的波导集成的多模电光调制器及制作方法。

背景技术

过去几年，石墨烯-硅基混合集成光路引起了极大的关注。由于石墨烯具有超高的载流子迁移率和可调节的费米能级，石墨烯对光的吸收可以通过能带填充效应来快速调节，可用于开发高速的光电集成器件。此外，通过将石墨烯与硅波导结合，在硅波导中传播的光可以通过倏逝场与表面集成的石墨烯发生相互作用。这种结构在充分利用单原子层石墨烯独特的物理特性的同时，不会受到原子层厚的石墨烯中较弱的光-物质相互作用的影响。到目前为止，基于石墨烯-硅基混合集成光路，科研工作者设计和制造了多种光电集成器件，包括高速电光调制器、超快光电探测器、可调谐延迟线等。

另一方面，模分复用作为一种扩展信道容量的复用技术，被广泛研究并应用于高速通信和光互连等领域。与传统的复用技术相比（比如波分复用），模分复用技术使用单波长光源通过复用空间模式来扩展数据通信带宽，从而有效地降低了芯片的成本和热效应。近年来，模分复用技术得到了广泛的研究，2014年，康奈尔大学的L-W. Luo等人研制了基于微环的片上模分复用系统（Nature Communications, 5, 3069, 2014）。2017年，中国科学院的杨林研究员课题组研制了用于模分复用光互连的2×2单模光开关，并进行了40Gbps数据传输实验（Optics Express, 25, 17, 20698）。同年，浙江大学的戴道锌教授课题组研制了片上低损耗、低串扰的模式解复用器（Optics Letters, 42, 12, 2370）。然而，上述工作所构成的模分复用光互连系统均需要对波导内的不同模式分别进行调制，增加了调制器与（解）复用器的数量，提升了设备成本且不利于片上器件的高度集成。

在专利方面，2014年，浙江大学的黄毅等人设计了一种多输入多输出的片上板间光互连传输系统，使得各自的输入信号分别一次经过各自的信号调制器后输入到传输模块，并申请了中国发明专利（201410844296.5）。2015年，上海交通大学王敏娟等人令多模波导中的多种模式分别与多个谐振腔进行耦合，通过多个谐振腔对多种模式进行调制，并申请了中国发明专利（201511005182.2）。以上方法需要对多模波导内的不同模式分别进行调制。无法在同一设备中同时对不同模式进行调制，一定程度上增加了设备成本和体积，不利于片上器件的高度集成与温度控制。

综上所述，虽然模分复用技术近年来得到了快速的发展，然而每个模式需要单独调制影响了模分复用技术在集成光学中的应用。开发一种能够同时调制多种模式的多模电光调制器来降低成本与设备尺寸仍是一项重要任务。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于石墨烯的波导集成的多模电光调制器及制作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：