基于石墨烯硅基波导的超高速光信号发生器的制作方法

本发明属于通信用硅基器件领域，特别涉及超高速信号发生器范围。

背景技术：

光信号发生器也称光信号源，用以产生光脉冲序列信号，可提供使用者需要的稳定、可信的光信号，是光通信系统中极其重要的一部分，其性能直接影响到整个通信系统的性能，

近年来随着高速光通信系统迅速发展，迫切要求高速光信号发生器与之适应。现有的产生超高速光信号的方法都要依赖于超短脉冲光源，光脉冲的宽度和重复频率决定了系统最大复用速率。连续光源加级联电吸收调制器得到的脉冲宽度大约为3ps，对于速度在100gb/s以上的通信系统而言过宽；锁模光纤激光器采用谐波锁模时稳定性差，采用闭环误差信号反馈控制腔长的方法，可以实现光纤锁模激光器的长期稳定运转，但器件结构复杂；多量子阱混合锁模半导体激光器芯片成品率极低、需要昂贵的半导体加工设备、器件寿命不如锁模光纤激光器，且目前价格过高。为了提供足够的时延，现有的otdm复用器的每个臂上采用长光纤，消除干涉现象造成的时延扰动，但是环境温度变化会改变延时特性，该种设计不具有长期的稳定性。而全偏振光时分复用价格昂贵，需要配备可变时延线、可变衰减器和偏振控制器等装置，结构十分复杂。另外，这种分臂结构的延时器对于制作有很高的精度要求，不易实现，而且对外界环境的扰动也十分敏感。

采用基于连续光源更快响应时间的级联调制器的结构是简易廉价产生高稳定超高速信号的更佳手段。石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成正六边形呈蜂窝状晶格的二位氮原子层平面晶体薄膜，狄拉克锥能带结构使其具有各种奇特和突出的光电性能(饱和吸收和超快载流子跃迁和弛豫过程等)。基于这些特性的光调制器、超快锁模激光器、光电探测器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明电极和导电薄膜已经被实验演示或商品化。其中，基于石墨烯的光调制器在调制速度方面展现了其他材料调制器无法比拟的优势，同时也兼顾集成性、调制深度、调制带宽和功耗等方面的考虑。

自2011年加州大学伯克利分校的刘明等人首次实现石墨烯电光调制以来，大量石墨烯电光调制器的仿真计算和实验被报道，是目前基于石墨烯调制研究的主要方向。继刘明等人提出条形结构石墨烯电光调器后，grigorenkoan和新加坡国立大学的团队于2012年分别提出了马赫增德结构和环形腔结构的石墨烯电光调制器，构成了目前三种主要的电光石墨烯调制结构。条形波导依靠电调吸收实现调制，结构简单，兼容cmos工艺，但插入损耗和器件能耗大，需要克服电极部分的材料电阻的问题。马赫增德结构依靠pockets效应电压调节材料的折射率，双臂干涉调整输出光功率，光学带宽大，温度容差高。环形谐振结构电调节环内谐振效果，具有较大的消光比和较小的器件尺寸。这些结构通过电压调控石墨烯的费米能级来改变对光的吸收特性从而实现光调制，在调制速率(仿真计算)、调制深度、调制带宽、面积效率和功耗等方面都展示了非常优良的性能。但它们的寄生电容使电子回路相当于一个rc低通滤波器(3db电信号截止频率f＝1/2πrc，电子瓶颈)，使实验中最高的调制速率无法突破1ghz量级，远低于仿真计算的结果(几十到几百ghz)。为了有效地绕过电子器件在超高频下的寄生电容效应(电子瓶颈)，提高通信速度，采用全光控制是目前非常有效的方法，即在光域中实现信号的传输和转换，避免光-电/电-光的转换带来的负面影响，实现光脉冲序列信号的高速产生。另一方面，全光控制的方式可以通过更换掩膜版的方式进行编码，更有方便。

硅基信号发生器在材料上具有成本低、高折射率和非线性系数等优势，从制作工艺上兼容于成熟的cmos工艺，利于光电集成，利用硅基设计的调制器其调制速度可以达到几十ghz，这对硅基信号发生器同时也具有很大的意义。硅基高速信号电光信号发生器不仅是未来光交叉互联(oxc)和光分复用(oadm)系统中的核心器件，而且在芯片光互连和光计算技术中也具有极大的应用前景。因此，开展硅基高速光电信号发生器的研究意义重大。

需要注意的是，目前的信号发生器都是采用空间上单点的信号加载，无法充分满足当前高速光通信系统对于调制速度的需要。将高重复频率的加载信号在空间上拆解为很多低重复频率的加载信号，在光波导的不同位置同时加载，对载波的不同空间部分进行同时调制同样可以得到高速产生光脉冲序列的效果，这种方法由本发明首次提出，成为空间调制。这种空间调制的方式既解决了高速电路难以制作和成本昂贵的问题，也避免了光电材料响应速度无法跟上电信号变化速度的问题以及高速电信号导致的系统损耗过高的问题。同时相对于光时分复用产生高速信号的办法，采用硅基空间调制的方式器件尺寸可以较小，耦合损耗、受环境影响大等缺点均得以改善。

技术实现要素：

该发明提出了基于石墨烯硅波导的超高速光信号发生器，旨在超高速地产生脉冲序列信号。

本发明基本原理：硅波导厚度较薄时，表面会产生较强倏逝场，将载波扩散到石墨烯层中与其相互作用。通过调节照射泵浦光的强度，利用石墨烯材料的饱和吸收特性，改变石墨烯对硅基波导中载波的吸收。经过掩膜版的泵浦光会在石墨烯层上形成衍射条纹，亮条纹处石墨烯对载波不吸收，暗条纹处石墨烯吸收载波，对照衍射条纹，石墨烯曾在空间上形成对载波的周期性吸收。由于衍射条纹很细密，硅基波导中可以形成脉宽很窄且重复频率很高的脉冲序列，实现超高速信号的效果。随着衍射条纹面积的增加，泵浦光强度变化的速度可以无限降低，实现以极低速度控制产生超高速信号。

本发明的具体物理实现方式：该超高速信号发生器包括硅波导1、石墨烯层2(1)和2(2)、sio2平板基底3、泵浦光4、掩膜版5。具体组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于sio2平板基底3之上，石墨烯层2(1)和2(2)分别置于硅波导1和无硅波导1生长的sio2平板基底3的表面之上，泵浦光4经过掩膜版5产生衍射条纹照射于石墨烯层2(1)和2(2)上，改变泵浦光的强度调节石墨烯对载波的吸收特性，产生超高速光信号。石墨烯层2(1)和2(2)的厚度小于3.35nm。硅波导1的厚度250nm，宽度600nm。泵浦光4产生的泵浦光衍射条纹间距大于0.6mm。

经过上述设置，通过以较低频率调节泵浦光强度，可以超高速的产生脉冲序列光信号。

本发明的有益效果如下：

(1)用空间调制的方式，以很低的调制速度实现了超快调制的效果。

(2)信号发生器的串联结构易于制作，可以对序列中的各个脉冲进行精确控制。

(3)该信号发生器对使用环境不敏感，对温度和振动等外界因素都有很高的适应性。

(4)全光调制，无需复杂的电极设计和制作，同时绕开电子瓶颈对调制速度的限制。

(5)石墨烯作为调制材料，具有超短响应时间、低功耗和高面积效率的优势。

(6)硅基集成光波导的制作与当今成熟而先进的微电子加工工艺相兼容，相比于传统的信号发生器，更易于向器件的微型化和集成化趋势靠近。

附图说明

图1基于石墨烯硅基波导的超高速光信号发生器结构示意图。

图2实例一中的泵浦光随时间变化情况。

图3实例二中的泵浦光随时间变化情况。

图4实例一中产生的超高速光信号。

图5实例二中产生的超高速光信号。

具体实施方式

下面结合附图1至5对基于石墨烯硅基波导的超高速光信号发生器作进一步描述。

实施例一：

基于石墨烯硅基波导的超高速光信号发生器，其特征在于：该结构包括盘绕生长的硅波导1、石墨烯层2(1)和2(2)、sio2平板基底3、泵浦光4、掩膜版5。

具体组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于sio2平板基底3之上，石墨烯层2(1)和2(2)分别置于硅波导1和无硅波导1生长的sio2平板基底3的表面之上，泵浦光4经过掩膜版5产生衍射条纹照射于石墨烯层2(1)和2(2)上，改变泵浦光的强度调节石墨烯对载波的吸收特性，产生超高速光信号。

石墨烯层厚度小于3.35nm。

硅波导1的厚度250nm，宽度600nm，平行间距1mm，总长37mm。

产生的泵浦光衍射条纹间距1mm。

经过上述设置，按照图2调节泵浦光4强度，仅需要10ghz的调制速度，产生超高速光信号(图4)，该信号速度为360gb/s，脉宽为3ps。

实施例二：

基于石墨烯硅基波导的超高速光信号发生器，其特征在于：该结构包括盘绕生长的硅波导1、石墨烯层2(1)和2(2)、sio2平板基底3、泵浦光4、掩膜版5。

具体组合方式为：硅波导1以盘绕结构生长于sio2平板基底3之上，石墨烯层2(1)和2(2)分别置于硅波导1和无硅波导1生长的sio2平板基底3的表面之上，泵浦光4经过掩膜版5产生衍射条纹照射于石墨烯层2(1)和2(2)上，改变泵浦光的强度调节石墨烯对载波的吸收特性，产生超高速光信号。

石墨烯层厚度小于3.35nm。

硅波导1的厚度250nm，宽度600nm，平行间距1mm，总长37mm。

产生的泵浦光衍射条纹间距1mm。

按照上述设置，按照图3调节泵浦光4强度，仅需10ghz的调制速度，产生超高速光信号(图5)，该信号速度为360gb/s，脉宽为1.5ps。