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硅基石墨烯電光調制器簡述
2022-05-26 09:00:00 | 新聞中心          瀏覽量:64

導讀

硅基光電子技術采用與硅基集成電路技術兼容的技術和方法,將微納光電子器件集成在同一硅襯底上,從而實現“低成本、緊湊、低能耗的”集成信息系統,該方法被認為是下一代半導體芯片的關鍵技術。硅基電光調制器作為集成光電子芯片中的核心器件之一,需要新型調制技術來適應不同的應用場景。而混合集成的硅基石墨烯電光調制器因具有“小尺寸、高效率、低功耗、低成本”的優點在研究中備受青睞。最近,來自北京大學的王興軍教授及其團隊在 Photonics 期刊上發表了有關“硅基石墨烯電光調制器的發展歷程”的研究綜述,并從應用場景的角度概述了其發展潛力。


研究過程與結果


一、硅基石墨烯調制器的原理

石墨烯作為一種二維材料,由于其獨特的價帶結構而展現出優異的電光特性。其寬帶光譜響應和超高的遷移率使其實現電光轉換的絕佳材料。通過柵壓調控石墨烯費米能級的方式,可以實現對電導率的調控,從而導致折射率和光學損耗的改變,即“電光調制”。由于石墨烯為層狀結構,其復折射率表現出各向異性。通常認為,在與波矢平行的平面上,介電常數隨電導率變化而變化,而在垂直平面上相對介電常數為可以等效為常數。圖1為硅基石墨烯電光調制器的等效折射率和損耗隨費米能級變化的關系。


等效折射率和損耗隨費米能級變化

圖1. 等效折射率和損耗隨費米能級變化;理想透射譜振幅響應 (紅色虛線) 和仿真透射譜振幅響應 (藍色實線) 對比。


硅基電吸收型調制器主要基于柵控損耗調節的特性是,根據柵壓調控的原理,可以將硅基石墨烯調制器分為基于石墨烯-氧化物-硅 (GOS) 的單層結構和基于石墨烯-氧化物-石墨烯 (GOG) 的雙層結構?;趩螌雍碗p層硅基石墨烯調制器的代表器件如圖2所示。


石墨烯電光調制器

圖2. 典型的硅基單層 (a) 和雙層 (b) 石墨烯電光調制器。


通過引入光學諧振腔的方式可以實現石墨烯對光場更高效的調控作用。已經報道了基于微環、表面等離子體激元和光子晶體的“硅基石墨烯調制器”(如圖3所示)。


與硅基光學諧振腔結合的石墨烯電光調制器

圖3. 與硅基光學諧振腔結合的石墨烯電光調制器:微環 (a)、表面等離子體 (b) 和光子晶體 (c)。


二、石墨烯電折變型調制器


石墨烯電折變型調制器在高費米能級的條件下運行,當柵壓變化時,主要引起有效折射率的變化從而導致光相位的改變,進而實現電光調制。這種相位型電光調制器通常采用馬赫曾德爾的干涉結構將相位變化轉化為強度變化?;谙辔蛔兓碾娬{制器同樣也具有單雙層石墨烯結構,可與微環結合實現更高效的相位調制,同時也可與其他二維材料 (如硫化鉬、硫化鎢) 組合成為電容結構實現相位調制,圖4中總結了“石墨烯電折變型調制器的結構和其調制性能測試結果”。


石墨烯電折變型調制器

圖4. 石墨烯電折變型調制器:單層 (a-c)、微環 (d)、雙層 (e) 和與其他二維材料的混合集成 (f-g)。


三、硅基石墨烯電光調制器的應用潛能


硅基石墨烯電光調制器在通信場景中的應用潛能被不斷挖掘,在長距離傳輸,及高低溫等劣化環境下,石墨烯調制器表現出優異的特性。在走向實用的過程中,面向晶圓級量產的硅基石墨烯調制器制備工藝、適用于石墨烯調制器的封裝技術都在被探索與開發,與波分復用等大容量的傳輸技術之間的銜接更為成熟 (如圖5所示)。


硅基石墨烯電光調制器在通信應用中的發展

圖5. 硅基石墨烯電光調制器在通信應用中的發展。


硅基石墨烯調制器也被應用到了微波光子應用中。其可以實現高線性的電光調制,并且可以用作光開關來實現對信號的切換和處理 (如圖6所示)。


硅基石墨烯電光調制器在微波光子技術中的發展

圖6. 硅基石墨烯電光調制器在微波光子技術中的發展。


四、研究總結


本文詳細敘述了硅基石墨烯電光調制器的發展過程,涵蓋吸收型和電致折變型的電光調制原理、單雙層石墨烯的電光調制器結構、與不同光學結構集成的電光調制器件以及其在通信和微波光子應用中的探索。最后,關于硅基石墨烯電光調制器的特性總結如表1所示。


硅基石墨烯電光調制器性能

表1. 硅基石墨烯電光調制器性能。


文章來源:Photonics 期刊 

原文撰稿人:金明

所屬機構:北京大學信息科學技術學院

版權歸作者所有。


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