[发明专利]一种新型的石墨烯电光调制器结构

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域。具体涉及一种新型的石墨烯电光调制器结构。

背景技术

目前，电光调制器用于调节光束开关，把电信号转化成光学信号传输数字信息，多用于互联网连接。石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，也有人使用“单层石墨”作为其称呼。在石墨烯中，碳原子以sp2杂化并排列成蜂窝状六角平面结构。石墨烯也是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。石墨烯在2004年首先被英国曼彻斯特大学的科学家发现，石墨烯的发现者于2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯中载流子的室温迁移率>20000cm2/Vs，比目前所知的任何半导体材料都高，包括半导体行业中大规模应用的硅材料，被认为是未来纳米电子器件中硅的替代者。 

石墨烯对光的透过率高达97.7％，其中约2.3％的光会被吸收，石墨烯能吸收的光涵盖数千纳米，从紫外线到红外线都可吸收，因此是一种与波长无关的吸收材料。将石墨烯施加不同电压，石墨烯中电子的能量（费米能级）会改变，而石墨烯是否吸收光线也会决定其费米能级。当施加充足电压时，石墨烯的费米能级会上升或下降至1/2入射光子能量（相对于本征石墨烯费米面即狄拉克点位置），则入射光子不能被电子吸收生成电子空穴对。因此，当光子通过石墨烯时，石墨烯完全透明，“打开”光线。反之，当施加电压不满足以上“临界点”，即不足以改变石墨烯费米面至1/2入射光子能量（相对于本征石墨烯费米面即狄拉克点位置），则部分光子会被电子吸收并产生电子空穴对，从而“关闭”光线。于是，石墨烯便有了通过改变其加载电压来打开或关闭光线的能力，即可充当电光调制器。用石墨烯这种世界上最薄且最坚硬的新型材料，可做成高速、耐热、宽带、廉价和小尺寸的调制器。 

调制消光比是调制器的一个重要参数，定义为调制后输出光功率在打开和关断状态之间的功率差别。由于单层石墨烯的吸收仅为2.3％，不加电压时透过的光功率高达97.7％，施加临界电压让石墨烯对光完全透明，即透过100％功率，因此调制消光比为－10×LOG(97.7%/100%)=0.13dB。如此小的功率差别导致根本无法观测功率变化，而普通调制器的消光比需要至少大于13dB。因此需要特殊设计石墨烯调制器来满足消光比的要求。 

电光调制器是典型的外调制器，是光纤通信和光互连系统中的核心器件，它能够对光波进行调制，使光波能够运载各种高容量、高速率的信息。石墨烯电光调制器主要利用石墨烯的电光效应进行工作。如图1所示，在石墨烯电光调制器的输入直流光信号，同时将电信号通过端口加载在石墨烯电光调制器上，可以得到按电信号变化的光强输出。调制器的对光的外部调制相较于激光器的直接调制，可以获得更高的调制速率和更宽的调制带宽。石墨烯电光调制器是一种新型的光电子器件，有望能够满足未来光纤通信和光互连系统对器件小型化、集成化、超高速的要求。

现有的基于石墨烯电光效应的调制器结构主要有以下三种：1）单臂波导石墨烯电光调制器。调制器由单波导对光进行调制，石墨烯可以被置于波导的顶部、中部或者底部。光通过调制器时，对石墨烯施加驱动电压就可以实现对光强度的调制（见Liu M, Yin X, Ulin-Avila E, et al. A graphene-based broadband optical modulator[J]. Nature, 2011, 474(7349): 64-67.）。2）M-Z石墨烯电光调制器。石墨烯被置于双臂波导上，工作时，对石墨烯施加不同的驱动电压，使两个波导之间的光发生干涉，实现对光的调制（见Li H, Anugrah Y, Koester S J, et al. Optical absorption in graphene integrated on silicon waveguides[J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(11): 111110-111110-5.）。3）环形腔石墨烯电光调制器。通过石墨烯的电光效应，改变环形腔的透射率，实现对光的调制（见Li H, Anugrah Y, Koester S J, et al. Optical absorption in graphene integrated on silicon waveguides[J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(11): 111110-111110-5.）。