硅基石墨烯栅层电光空间超快调制器的制作方法

本发明属于通信用硅基器件领域，特别涉及电光超快调制器范围。

背景技术：

光调制器是光通信系统中的极其重要的一部分，光调制器的性能直接影响到整个通信系统的性能，光调制器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，从而实现信号的加载。

近年来随着高速光通信系统迅速发展，迫切要求高速光波导调制器与之相适应。目前，已有的调制器都是采用空间上单点调制的方式。首先，当需要在载波中加载超高频率的信号时就需要超高速的调制信号，而产生超快电信号的高速电路是难于制作，并且价格比较昂贵。其次，调制器中电光材料对于电信号的响应速度有限，比如硅的响应速度在70ghz基本达到极限，这使得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，无法完成信号的超快加载。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是非常大的，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。

为了实现高速调制，时分复用是产生高速信号的一种有效办法，其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了较多的问题，首先，复用过程中各路光信号要进行多次耦合，这样会产生较大的耦合损耗；其次，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；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、ⅲ-ⅴ族半导体电吸收调制器、聚合物调制器。其中研究最多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，对于波长、温度等因素的影响不大，调制带宽也可以达到100ghz,但是铌酸锂调制器具有低电压灵敏度的问题，具体表现为半波电压较大，要实现较大的带宽是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于传统的电折射调制器相比，如铌酸锂调制器，具有较低的半波电压和驱动电压，并且尺寸更小，调制效率也更高，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。并且其调制带宽相对于铌酸锂调制器所达到的带宽也是较窄的。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，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。基于这些特性研制的光调制器、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，使实现高集成度、超高速、宽带宽的电光调制器成为可能。基于石墨烯的电光调制器都是通过外加电场控制石墨烯的费米能级，从而引起石墨烯的带内跃迁和带间跃迁，使得石墨烯的电导率发生变化，因此改变了石墨烯对载波的传输和吸收特性来实现光信号的调制，同时石墨烯超快的载流子弛豫速度可以使得调制速度非常快。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。

需要注意的是，目前的调制器都是采用空间上单点调制的方式，无法充分满足当前高速光通信系统对于调制速度的需要。将高重复频率的调制信号在空间上拆解为很多低重复频率的调制信号，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调制的效果，这种方法由本发明首次提出，称为空间调制。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，耦合损耗大、受环境影响大以及对于幅度调制的局限性等缺点均得以改善。

技术实现要素：

本发明提出了硅基石墨烯栅层电光空间超快调制器，旨在实现电信号在光域的灵活加载和超快加载。

本发明基本原理：硅波导厚度较薄时，表面会产生较强的倏逝场，载波经表面倏逝场效果扩散至石墨烯栅层中接受调制。加在器件结构两端的周期性排列的正负电极对分别向石墨烯栅层中对应石墨烯单元同时施加电压，同时改变石墨烯层单元的费米能级，从而调节其对所在空间位置载波的吸收能力。调制信号被编辑为电极阵列产生的随时间变化的空间电信号阵列施加在石墨烯栅层上，使石墨烯栅层的吸收特性在沿微细光纤轴向形成与空间电信号阵列相同的空间分布，在对载波进行可调的多位置吸收(吸收位置为0信号，不吸收位置为1信号)。由于石墨烯层的周期性吸收并且石墨烯具有极短的响应时间，单个吸收位置的空间宽度可以很窄，同时不牺牲调制深度，因此石墨烯栅层可以产生超高密度的已调信号，也减小了器件整体尺寸。降低了所需的电极阵列所加电压的变化速度，从而以很低的调制速度实现超高密度的信号调制，达到超快调制的效果。

本发明具体物理实现方式：

该超高速电光调制器包括sio2平板基底1、al2o3层2、铂层3、导光硅波导4、连接硅波导5、石墨烯栅层6、正电极7、负电极8。具体组合方式为：正电极7和负电极8周期性排列至基底表面两端，导光硅波导4覆于sio2平板基底1之上靠中间位置，表面硅波导5同样置于sio2平板基底1之上，一端连接导光硅波导4，另一端连接负电极8。al2o3层2覆于导光硅波导4、连接硅波导5和sio2平板基底1表面之上。石墨烯栅层6覆于导光硅波导4和无连接硅波导5这一侧的al2o3层2上直到连至正电极7。铂层3覆于石墨烯栅层6之上，且一端连接至正电极7，另一端离导光硅波导4的距离大于500nm。

经过上述设置，通过对各正负电极对间电压的控制，施加随时间变化的空间电信号阵列，可以实现任意信号的高速调制。

本发明具体有益效果：

(1)用空间调制的方式，改变了传统的单点调制方式，以很低的调制速度实现超高密度的信号调制，达到超快调制的效果，解决了单点调制时高速信号源难以获得的问题。

(2)石墨烯的周期性结构可通过激光刻写的方法易于制作，可以精确控制各个低速调制点信号的组合。

(3)该调制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)石墨烯作为调制材料，具有超短响应时间、超宽波长调制范围、低功耗和高面积效率的优势。

(5)硅基集成光波导的制作与目前发展成熟的微电子加工工艺相兼容，相比于传统的电光调制器，更易于向器件的微型化和集成化趋势靠近。

(6)该器件尺寸非常小，利于集成。

附图说明

图1硅基石墨烯栅层电光空间超快调制器结构示意图。

图2实例一中各正负电极对间电压随时间变化情况。

图3实例一中的超快调制效果。

图4实例二中正负电极对(32,42)、(35,45)、(36,46)、(310,410)、(311,411)、(312,412)间电压随变化情况。

图5实例二中正负电极对(31,41)、(33,43)、(34,44)、(37,47)、(38,48)、(39,49)间电压随变化情况。

图6实例二中的超快调制效果。

具体实施方式

实施例1：

该调制器包括包括sio2平板基底1、al2o3层2、铂层3、导光硅波导4、连接硅波导5、石墨烯栅层6、正电极7(正电极单元71、72、73、74、75、76、77、78、99、710、711、712)、负电极8(负电极单元81、82、83、84、85、86、87、88、89、810、811、812)(图1)。组合方式为：正电极7和负电极8周期性排列至基底表面两端，主硅波导4覆于sio2平板基底1之上靠中间位置，表面硅波导5同样置于sio2平板基底1之上，一端连接导光硅波导4，另一端连接负电极8。al2o3层2覆于导光硅波导4、连接硅波导5和sio2平板基底1表面之上。石墨烯栅层6覆于导光硅波导4和无连接硅波导5这一侧的al2o3层2上直到连至正电极7。铂层3覆于石墨烯栅层6之上，且一端连接至正电极7，另一端离导光硅波导4的距离大于500nm。石墨烯栅层6的厚度0.7nm。主硅波导4的厚度250nm，宽600nm。表面硅波导5的厚度50nm。al2o3层的厚度7nm。铂层3的厚度10nm，与主硅波导4的距离大于500nm。相邻单元间距为600μm，单元数12，整个平板基底5尺寸为15mm×1mm。所用石墨烯栅层6层数为1。载波从条形硅波导的一端通入，在另一端检测输出经过调制的信号。将调制信号[000000……000000]编辑为随时间变化的空间电信号阵列，体现在各个正负电极对上电信号都为图1所示，施加在各正负电极对对应的石墨烯栅层单元上，可知电信号变化频率为21ghz。导光硅波导4输出端可得到与调制信号[000000……000000]对应的已调信号时间波形，图3为其单个时间周期内的时间波形，重复频率为250ghz，即调制频率。

实施例2

该调制器包括包括sio2平板基底1、al2o3层2、铂层3、导光硅波导4、连接硅波导5、石墨烯栅层6、正电极7(正电极单元71、72、73、74、75、76、77、78、99、710、711、712)、负电极8(负电极单元81、82、83、84、85、86、87、88、89、810、811、812)(图1)。组合方式为：正电极7和负电极8周期性排列至基底表面两端，主硅波导4覆于sio2平板基底1之上靠中间位置，表面硅波导5同样置于sio2平板基底1之上，一端连接导光硅波导4，另一端连接负电极8。al2o3层2覆于导光硅波导4、连接硅波导5和sio2平板基底1表面之上。石墨烯栅层6覆于导光硅波导4和无连接硅波导5这一侧的al2o3层2上直到连至正电极7。铂层3覆于石墨烯栅层6之上，且一端连接至正电极7，另一端离导光硅波导4的距离大于500nm。石墨烯栅层6的厚度0.7nm。主硅波导4的厚度150nm，宽600nm。表面硅波导5的厚度50nm。al2o3层的厚度7nm。铂层3的厚度10nm，与主硅波导4的距离大于500nm。相邻单元间距为300μm，单元数12，整个平板基底5尺寸为7.5mm×1mm。所用石墨烯栅层6层数为2。载波从条形硅波导的一端通入，在另一端检测输出经过调制的信号。将调制信号[000000……000000]编辑为随时间变化的空间电信号阵列，正负电极对(72,82)、(75,85)、(76,86)、(710,810)、(711,811)、(712,812)电压变化如图4所示，正负电极对(71,81)、(73,83)、(74,84)、(77,87)、(78,88)、(79,89)电压变化如图5所示，施加在各正负电极对对应的石墨烯栅层单元上，可知电信号变化频率为42ghz。导光硅波导4输出端可得到与调制信号[000000……000000]对应的已调信号时间波形，图6为其单个时间周期内的时间波形，重复频率为500ghz，即调制频率。