[发明专利]基于石墨烯的硅基光空间超快调制器

说明书

技术领域

本发明属于通信用硅基领域，特别涉及全光超快调制器范围。

背景技术

光调制器是光通信系统中的关键器件，其主要原理就是通过对载波操作，将调制信号掺入载波的幅度、相位或偏振等性质，实现信号加载。

目前主要有全光调制和电光调制两种光调制手段。使用电光调制器最主要的问题是电子瓶颈会限制调制速度，目前最快的电光调制速度也只在百Ghz左右，调制速度超过Ghz量级的电光调制器制作难度大，价格昂贵。全光调制可以在硅或者其他光波导中进行，可以在简单的结构中实现高速、宽带宽、低损耗的信号调制。

已有的调制器都采用单点调制的方式，具有一些难以克服的缺陷。首先，随着高速光通信的发展，需要高调制速率的调制器与之相适应，相应的就需要高速的调制信号，而产生超快电信号的高速电路是难于制作，并且价格昂贵。其次，调制器中电光材料对于电信号的响应速度有限，例如硅的响应速度在70Ghz基本达到极限，就会导致在超快电光调制过程中电光材料对光载波的作用速度无法与调制电信号匹配的问题，难以实现高速调制。最后，在高速调制的系统中，受制于“电子瓶颈”，高速电信号在线路及系统内部产生的能耗非常大，同时信号速度高时电路系统内部散热也会增加，从而影响系统性能，也增加了温控的难度和能耗。

时分复用是产生高速信号的一种有效办法。原理就是将低速的数据流利用时间上插空的方法经过多级复用后变为高速的数据流。但是采用光时分复用器也存在一些难以避免的缺陷：首先，为了得到高速的信号，需要进行多级复用组合，会造成系统体积较大不利于集成的问题；其次，复用过程中各路光信号要进行多次耦合，因而会产生较大的耦合损耗；最后，多级复用分布体积大，易受环境中温度和振动不均匀分布的影响，难于补偿和控制；此外，时分复用产生高速信号的方法仅限于幅度调制，当采用相位或偏振等调制方式时，各路信号在叠加时会出现相干现象，所以时分复用产生高速信号的方法具有较大的局限性。

目前，科研人员已经提出了很多电光调制器的实现方案，主要有铌酸锂调制器、基于Ⅲ-Ⅴ族半导体电吸收调制器、聚合物调制器。最常见的就是铌酸锂马赫增德尔调制器，这类调制器插入损耗较小，对波长、温度等因素不敏感，调制带宽也可以达到100GHz,但铌酸锂调制器半波电压较大，实现较大的带宽是要以较高的半波电压为代价的。基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电吸收调制器具有较低的半波电压和驱动电压，且尺寸较小，调制效率较高，但是由于电吸收效应的强度调制也会造成折射率实部的变化，也就是电吸收效应会引起相位调制，形成啁啾现象，易造成信号失真。聚合物调制器是根据线性电光效应的原理进行工作的，具有很高的潜在调制带宽，一般的聚合物调制器的设计是基于M-Z结构的，所以研究的重点主要在于材料本身，进一步提高聚合物材料的电光效应，有望实现更低的半波电压。但是聚合物调制器受温度和光功率的影响较大，材料本身不够稳定，一般来说聚合物调制器的插入损耗也是较大的。

硅基调制器在材料上具有成本低、高折射率和非线性系数等优势，从制作工艺上兼容成熟的CMOS工艺利于光电集成，近年来发展突飞猛进，调制速度可以达到几十Ghz。硅基高速电光调制器不仅是未来光交叉互连(OXC)和光分插复用(OADM)系统中的核心器件，而且在芯片光互联和光计算技术中也具有很大的应用前景。因此，开展硅基高速电光调制器的研究意义重大。

石墨烯具有独特的光学和电学特性，例如石墨烯的饱和吸收特性和超快载流子跃迁和弛豫过程。基于石墨烯饱和吸收的全光调制绕开电子瓶颈，可以实现超快的调制速率(实验演示200Ghz，理论分析500Ghz)。通过经过石墨烯的高频高功率泵浦光来控制石墨烯对经过其的低频信号光的吸收，从而实现对载波的全光幅度调制，同时石墨烯超快的载流子弛豫速度使得这种调制的速度可以非常快。超宽波长调制范围，大调制深度，低功耗和高面积效率也是石墨烯给予全光调制的优点。将硅作为波导结构与石墨烯结合又会使调制器借助硅波导的优点达到更高的性能，石墨烯可以使调制器获得高的调制速率，而且采用具有高折射率差的SOI基底，其制作工艺与目前已经发展非常成熟的CMOS工艺相兼容，利于大规模的集成和开发。