基于石墨烯的光調(diào)制器研究進(jìn)展

畢衛(wèi)紅，王曉愚，付廣偉，2，王圓圓（.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

基于石墨烯的光調(diào)制器研究進(jìn)展

畢衛(wèi)紅1，2，?，王曉愚1，付廣偉1，2，王圓圓1
（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004；
2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

摘 要：首先介紹了石墨烯的光電特性及光調(diào)制機(jī)理，在此基礎(chǔ)上結(jié)合石墨烯在光調(diào)制器中的研究及應(yīng)用，綜述了國(guó)內(nèi)外基于石墨烯的光調(diào)制器研究進(jìn)展，重點(diǎn)敘述了條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、M?Z結(jié)構(gòu)、環(huán)形腔結(jié)構(gòu)以及一些其它結(jié)構(gòu)光調(diào)制器的工作原理及各器件的特性。

關(guān)鍵詞：研究進(jìn)展；石墨烯；光調(diào)制器

0　引言

為了滿足高性能計(jì)算機(jī)與光通信高速發(fā)展的技術(shù)需求，片上光互連技術(shù)已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵性技術(shù)［1］。光調(diào)制器作為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其性能的優(yōu)劣直接影響著光信號(hào)的傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按材料劃分，光調(diào)制器大致可分為：無(wú)機(jī)物光調(diào)制器，Ⅲ?Ⅴ族半導(dǎo)體光調(diào)制器和聚合物光調(diào)制器［2］。典型的化合物鈮酸鋰光調(diào)制器目前已經(jīng)商用化，但存在著調(diào)制電壓高、制作成本高、器件體積大、電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷，使之不能做到光集成和光互聯(lián)。利用硅的等離子色散效應(yīng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行電光調(diào)制［2］，Ⅲ?Ⅴ族材料的半導(dǎo)體硅可以做成硅基光電子集成系統(tǒng)且與CMOS技術(shù)有良好的兼容性，但硅晶體不具有線性電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)），二次電光效應(yīng)（Kerr效應(yīng)）也很弱，這對(duì)調(diào)制速率和調(diào)制深度都有一定的限制。

自從2004年Manchester大學(xué)的Andre Geim 和Konstantin Novoselov首次在實(shí)驗(yàn)室成功剝離出穩(wěn)定的單層石墨烯材料以來(lái)，被譽(yù)為“21世紀(jì)神奇材料”的石墨烯就成為了研究熱點(diǎn)。石墨烯特殊的原子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，使其對(duì)光具有很強(qiáng)的相互作用，逐漸被應(yīng)用到光調(diào)制器、光探測(cè)器、光開關(guān)、新能源電池等諸多領(lǐng)域。石墨烯可以同時(shí)滿足高調(diào)制速率、寬帶寬、小型化等條件，又能兼容CMOS工藝，同時(shí)極高的電流密度和載流子遷移率（超過(guò)硅材料100倍）使它成為光調(diào)制器研究中最受矚目的材料［3?5］。本文就石墨烯在不同結(jié)構(gòu)光調(diào)制器上的研究及應(yīng)用，綜述了石墨烯光調(diào)制器的研究進(jìn)展。

1　石墨烯光電特性及光調(diào)制機(jī)理

石墨烯是排列成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳原子單層，它的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和熱力學(xué)特性都達(dá)到了前所未有的高度，這是其它材料無(wú)法比擬的［6］。由于石墨烯厚度極薄，具有很好的透光性、可視性［7］；而石墨烯又具有一定的光吸收率，使碳單層的垂直透光率T為97.7%，反射率R＜0.1%［8］，可用做光吸收材料，且多層石墨烯的光吸收率與石墨烯的層數(shù)成正比［6］，如圖1所示。石墨烯還具有獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)［9］，如圖2所示，使傳遞電子的速率比已知導(dǎo)體都快，接近光速的1/300，超過(guò)了碳納米管和硅晶體；導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)5 300 W/（m·K），高于碳納米管和金剛石；電阻率只有約10－6Ω·cm，比銅或銀更低，為世界上已知電阻率最小的材料。石墨烯中載流子遷移率最高超過(guò)200 000 cm2/（V·s）［10?13］，這也為制備高速光調(diào)制器提供了可能性。

圖1　直徑50μm孔隙中部分覆蓋單層和雙層石墨烯的照片F(xiàn)ig.1　Photograph of a 50 μm aperture partially covered by graphene and its bilayer

圖2　石墨烯三維能帶結(jié)構(gòu)Fig.2　Graphene energy band structure

石墨烯的光調(diào)制機(jī)理主要是利用加載在石墨烯上的電壓調(diào)控石墨烯的載流子（電子和空穴）濃度，這導(dǎo)致化學(xué)勢(shì)μ（也就是費(fèi)米能級(jí)）的變化，而費(fèi)米能級(jí)位置的移動(dòng)會(huì)引起石墨烯的帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷，這對(duì)應(yīng)著光導(dǎo)率σ的變化，進(jìn)而改變材料的光吸收特性，當(dāng)費(fèi)米能級(jí)位于閾值±hv0/2之間時(shí)，光被石墨烯吸收，其它情況光會(huì)被透過(guò)，最終實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的調(diào)制。石墨烯的光電導(dǎo)表示為［14］

其中，帶內(nèi)躍遷表示為

帶間躍遷表示為

費(fèi)米?狄拉克分布表示為

由式（1）～（4）可知，石墨烯的光電導(dǎo)取決于入射光的角頻率ω、帶內(nèi)和帶間躍遷的弛豫時(shí)間τ1、 τ2，化學(xué)勢(shì)μ和溫度T。而化學(xué)勢(shì)μ可以通過(guò)以下3種方式改變：1）加電壓；2）化學(xué)摻雜；3）光激發(fā)。基于上述石墨烯獨(dú)特的光電特性以及光電導(dǎo)調(diào)制機(jī)理，人們?cè)O(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的石墨烯光調(diào)制器。

2　基于石墨烯的光調(diào)制器

近幾年，基于不同結(jié)構(gòu)、不同工作原理的石墨烯光調(diào)制器不斷涌現(xiàn)。按結(jié)構(gòu)類型可分為條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、M?Z結(jié)構(gòu)、環(huán)形腔結(jié)構(gòu)等。不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)各有優(yōu)勢(shì)，其器件性能指標(biāo)如寬帶寬、高速率、高消光比、低能耗、小尺寸等也各具特色。

2.1條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器

2011年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Liu Ming等將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到條形硅波導(dǎo)上，制備出世界上第一個(gè)硅基?石墨烯集成光調(diào)制器［15］，如圖3所示。寬600 nm、厚250 nm的條形硅波導(dǎo)用于傳光，在硅波導(dǎo)底部生長(zhǎng)一層硅基連接金電極和石墨烯。利用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）制備石墨烯薄層并轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)表面。同時(shí)，為了維持石墨烯較高的載流子遷移速率，在石墨烯層和硅波導(dǎo)之間利用原子層沉積法增加了一層7 nm厚的Al2O3。石墨烯多余的部分用氧化等離子體移除，只留下波導(dǎo)頂部及連接波導(dǎo)和Pt電極之間的部分。Pt電極作為輔助（反）電極起到降低器件阻抗的作用，為了減小方塊電阻，對(duì)硅基和硅波導(dǎo)都進(jìn)行了硼摻雜。硅波導(dǎo)與Pt電極之間的最小距離控制在500 nm，使光波導(dǎo)的模式不受Pt電極的影響。該器件在原有硅基光調(diào)制的基礎(chǔ)上引入了石墨烯作為光吸收體對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制長(zhǎng)度40 μm，調(diào)制深度達(dá)到0.1 dB/μm，故消光比達(dá)到了4 dB。調(diào)制帶寬1.35～1.6 μm、3 dB帶寬為1.2 GHz，調(diào)制區(qū)域僅需要25 μm2［16］。

圖3　單層石墨烯光調(diào)制器Fig.3　Single?layer graphene optical modulator

2012年，該實(shí)驗(yàn)組在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，提出利用石墨烯層替代硅層，設(shè)計(jì)出了雙層石墨烯光調(diào)制器［17］，如圖4所示。替代后的石墨烯層增強(qiáng)了與光的相互作用，提高了載流子的電子遷移率，增加了調(diào)制速率，降低了插入損耗，進(jìn)而提高了器件的調(diào)制深度。它的調(diào)制深度提高到0.16 dB/μm，消光比為6.5 dB。調(diào)制深度相較于單層石墨烯調(diào)制器有所提高，但由于寄生效應(yīng)（RC時(shí)間）對(duì)器件的影響，石墨烯的3 dB帶寬僅為1 GHz。Koester和Li也對(duì)雙層石墨烯光調(diào)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和計(jì)算，雖然調(diào)制速率可達(dá)到120 GHz，但是調(diào)制深度僅為0.05 dB/μm［18］。Lu 和Zhao在理論分析后得出，石墨烯只有被放置在電場(chǎng)最大的位置，才能使石墨烯與光的相互作用達(dá)到最強(qiáng)，進(jìn)而充分發(fā)揮它的調(diào)制效率［19?20］。

圖4　雙層石墨烯光調(diào)制器Fig.4　Dual?graphene optical modulator

針對(duì)如何增強(qiáng)石墨烯與光相互作用這一問(wèn)題，2011年韓國(guó)三星尖端技術(shù)研究所的Kim Kinam等設(shè)計(jì)出脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器［21］，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)將硅波導(dǎo)分為上下兩部分，上層為多晶硅，下層為單晶硅，中間用雙層石墨烯和hBN（六方氮化硼）隔開。這里用7 nm厚的hBN取代Al2O3做緩沖層，是因?yàn)閔BN具有較低的介電常數(shù)，調(diào)制器的總電阻也由600 Ω降低到26 Ω，方塊電阻降至15 Ω，使器件的電容電阻時(shí)間常數(shù)降低，從而調(diào)制深度與調(diào)制速率的大幅度提升［22］。調(diào)制器脊寬600 nm，脊高250 nm，調(diào)制長(zhǎng)度35 μm，金屬電極與波導(dǎo)之間間隔300 nm。在波長(zhǎng)1.55 μm處，該調(diào)制器的TE模如圖6所示，光場(chǎng)強(qiáng)度最大處被限制在石墨烯層附近，提高了光與石墨烯層的相互作用，3 dB帶寬達(dá)到了55 GHz。

2013年，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種槽型結(jié)構(gòu)的調(diào)制器，如圖7所示，并對(duì)石墨烯光調(diào)制器進(jìn)行了理論分析。調(diào)制器的光頻寬達(dá)到了驚人的12 THz，調(diào)制速率范圍為160～850 GHz，僅受石墨烯電阻的影響。通過(guò)改變石墨烯的化學(xué)勢(shì)，調(diào)制器的調(diào)制深度最高可達(dá)4 dB/μm。該結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是引入了一層很薄的高介電常數(shù)材料，在傳光的同時(shí)還降低了能量損耗。需要強(qiáng)調(diào)的是，該結(jié)構(gòu)無(wú)論將石墨烯放置在光場(chǎng)中的任何位置，對(duì)TM模的調(diào)制效果都要好于對(duì)TE模的調(diào)制效果［23］。

圖5　脊型波導(dǎo)石墨烯光調(diào)制器Fig.5　Optical modulator of graphene?based ridge waveguide

圖6　脊型波導(dǎo)石墨烯光調(diào)制器在1.55 μm處的TE模Fig.6　Transverse electric mode profiles at a wavelength of 1.55 μm are shown for the ridge type

圖7　槽型結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器Fig.7　Optical modulator of graphene?based slot?waveguide

同樣在2013年，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)又提出了一種基于金屬和介質(zhì)表面等離激元的石墨烯電吸收調(diào)制器［24］，如圖8（a）所示。在PMMA脊型波導(dǎo)（寬500 nm，高600 nm）與金屬基底（寬3 μm，高50 nm）之間沉積了石墨烯層與氧化過(guò)渡層。利用金屬與介質(zhì)表面等離激元，將電場(chǎng)限制在石墨烯層附近，使石墨烯最大程度地對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，如圖8（b）、（c）。相比于傳統(tǒng)電吸收型光調(diào)制器，在消光比與插入損耗比值Δα/α這項(xiàng)參數(shù)對(duì)比上，該結(jié)構(gòu)達(dá)到了5.2，將脊波導(dǎo)用Si材料替換后，更是達(dá)到了17.3，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電吸收調(diào)制器在1.55 μm處的參數(shù)值很少能超過(guò)3.5，可見(jiàn)該調(diào)制器結(jié)構(gòu)在調(diào)制深度參數(shù)上很有優(yōu)勢(shì)。但高消光比的代價(jià)也是巨大的，能耗達(dá)到了Ebit＝15.8 fJ/bit，比傳統(tǒng)調(diào)制器高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8　基于表面等離激元的石墨烯電吸收型光調(diào)制器Fig.8　Graphene?based waveguide integrated dielectric?loaded plasmonic electro?absorption modulators

2014年，電子科技大學(xué)的Ye Shengwei等設(shè)計(jì)出雙層石墨烯疊加光調(diào)制結(jié)構(gòu)［25］，如圖9所示。從結(jié)構(gòu)上看，將以前的雙層石墨烯電極?硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)改為四層石墨烯?雙硅層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。可以明顯看出該結(jié)構(gòu)可以使石墨烯層與光進(jìn)行更強(qiáng)的相互作用，消光比達(dá)到了34 dB，調(diào)制帶寬也達(dá)到了100 GHz，調(diào)制長(zhǎng)度為5 μm。但是，由于石墨烯層數(shù)增多導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓增大，調(diào)制能耗也高到17.6 fJ/bit。

圖9　雙層石墨烯疊加調(diào)制器剖面圖Fig.9　A cross?section of the dual?graphene?on?graphene waveguide

2014年，華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在雙層石墨烯調(diào)制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種基于石墨烯的偏振不敏感光調(diào)制器［26］，如圖10所示。在條形硅波導(dǎo)中間挖出一個(gè)U型槽，將石墨烯層覆蓋在U型槽上，再用另一層硅波導(dǎo)將槽填平。仿真過(guò)程中，底層硅波導(dǎo)的尺寸始終保持寬650 nm、高340 nm，而通過(guò)改變中間石墨烯槽的寬和高分析了在1.55 μm入射光下，對(duì)TM、TE模的影響。結(jié)果表明，寬度范圍在190～240 nm，高度范圍在150～200 nm之間，調(diào)制器對(duì)偏振態(tài)都不敏感。

圖10　偏振不敏感光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖Fig.10　Structure of the polarization－insensitive optical modulator

2015年，美國(guó)堪薩斯大學(xué)的Susbhan Das等通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯與ITO（氧化銦錫）薄膜之間的等離子體共振對(duì)近紅外波段進(jìn)行調(diào)制［27］。最終，利用6 根ITO的等離子體共振效應(yīng)，調(diào)制器的消光比達(dá)到了5 dB/μm，但也由于引入等離子共振產(chǎn)生光學(xué)電路的這一通病，插入損耗達(dá)到1.7 dB/μm。

條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與CMOS工藝具有天生優(yōu)良的兼容性，但由于寄生電容、石墨烯與金屬電極的連接電阻以及低質(zhì)量石墨烯帶來(lái)的材料電阻等問(wèn)題，使條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器的插入損耗、器件能耗受到很大影響。所以，高質(zhì)量的石墨烯與金屬電極連接，以及高質(zhì)量石墨烯層的沉積成為提高該結(jié)構(gòu)調(diào)制器性能的關(guān)鍵［26］。

2.2M?Z結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器

M?Z電光調(diào)制器與依靠外加電壓改變材料吸收譜線的電吸收調(diào)制器不同，它主要利用了線性電光效應(yīng)（即Pockets效應(yīng)）來(lái)調(diào)節(jié)材料的折射率，再利用M?Z干涉儀結(jié)構(gòu)使輸出光功率隨所加電壓變化［23］。M?Z干涉儀是基于兩束光的干涉相消相長(zhǎng)原理從而達(dá)到開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，故光學(xué)信號(hào)對(duì)這種結(jié)構(gòu)并不是很敏感，因此它具有較大的光學(xué)帶寬以及較高的溫度容差等優(yōu)點(diǎn)［22］。

2012年，Grigorenko A N等首次提出了基于石墨烯等離子體的M?Z調(diào)制器結(jié)構(gòu)模型［28］，如圖11所示。2013年，Hao Ran等設(shè)計(jì)出了一種具有8層石墨烯嵌入式結(jié)構(gòu)的M?Z光調(diào)制器［29］，如圖12所示，通過(guò)將硅與石墨烯層層疊加的形式，構(gòu)建出M?Z結(jié)構(gòu)的雙臂，這種結(jié)構(gòu)使器件的電折射效應(yīng)大大增強(qiáng)。當(dāng)兩臂同時(shí)加電壓時(shí)：若電壓相同，則輸出光強(qiáng)增加，達(dá)到最大值；若電壓差值為半波電壓，則輸出光強(qiáng)降低，達(dá)到最小值，這就對(duì)應(yīng)了調(diào)制器的開和關(guān)兩種狀態(tài)。經(jīng)過(guò)對(duì)器件的模擬仿真，其調(diào)制效率和消光比分別達(dá)到20 V·μm，35 dB，調(diào)制器尺寸30 μm×4 μm。

圖11　M?Z結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器模型Fig.11　Electro?optic modulator model of M?Z structure

2014年，Hao Ran團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)多層石墨烯M?Z調(diào)制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［30］，將石墨烯層數(shù)降為4層，如圖13所示。優(yōu)化后的臂長(zhǎng)由原來(lái)的27.57 μm降為16.5 μm，縮小了器件尺寸；同時(shí)，消光比達(dá)到31.8 dB，最小驅(qū)動(dòng)電壓降至1 V以下，能耗為8 fJ/bit。優(yōu)化后有效折射率變化率大大提高，同時(shí)提高了調(diào)制速率。溫度變化在300～400 K之間，入射波長(zhǎng)在1 520～1 580 nm之間時(shí)，調(diào)制器的性能仍保持良好。美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)通過(guò)在覆蓋有石墨烯的M?Z雙臂上加電壓對(duì)其進(jìn)行相位調(diào)制［31］，如圖14所示。器件調(diào)制長(zhǎng)度為5.6 um，在3.1～4.5 V的電壓調(diào)制范圍內(nèi)，調(diào)制能耗高達(dá)21.7 ～45.8 fJ/bit。

圖12　多層石墨烯M?Z電光調(diào)制器Fig.12　Multi?layer graphene M?Z electro?optic modulator

圖13　石墨烯M?Z電光調(diào)制器Fig.13　Graphene M?Z electro?optic modulator

2015年，該團(tuán)隊(duì)同樣基于M?Z原理，利用器件對(duì)于TE模與TM模有效折射率變化的不同設(shè)計(jì)出基于石墨烯的起偏器［32］，如圖15所示。器件尺寸為70 μm×2 μm，對(duì)TE模和TM模的消光比分別高達(dá)19 dB和21 dB，調(diào)制范圍為1 500～1 800nm。

圖14　石墨烯基M?Z相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖Fig.14　Schematic of Mach?Zehnder phase modulator

圖15　石墨烯M?Z起偏器Fig.15　Schematic of Mach?Zehnder polarizer

2.3環(huán)形腔結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器

環(huán)形諧振，是指光從直波導(dǎo)耦合進(jìn)入微環(huán)當(dāng)中，傳輸一周后會(huì)與后續(xù)進(jìn)入微環(huán)中的光學(xué)信號(hào)發(fā)生干涉效應(yīng)，最終選擇性的輸出一部分光，剩下的部分光會(huì)在微環(huán)中完全損耗掉，即發(fā)生諧振效應(yīng)。環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)的調(diào)制器具有較大的消光比以及較小的尺寸兩大優(yōu)勢(shì)［22］。

2012年，新加坡國(guó)立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)提出一種石墨烯結(jié)合硅環(huán)形腔的光調(diào)制器模型［33］，如圖16所示，該器件將相位的變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化。同年，Michele Midrio等在環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出雙層石墨烯調(diào)制微環(huán)腔光調(diào)制器［34］，如圖17所示。通過(guò)加載在兩片石墨烯上的電壓來(lái)調(diào)制板間電場(chǎng)，改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，調(diào)制其吸收系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)制器從耦合狀態(tài)到非耦合狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，形成開關(guān)路［22］。該模型的消光比可以達(dá)到44 dB，但此結(jié)構(gòu)對(duì)入射波長(zhǎng)敏感，只能調(diào)制特定的波長(zhǎng)［22］。

2014年，Du Wei等通過(guò)將石墨烯層嵌入到環(huán)形腔內(nèi)大大增加了石墨烯與光的相互作用［35］，如圖18所示。以往石墨烯環(huán)形腔結(jié)構(gòu)都是將石墨烯覆蓋在環(huán)形腔表面，調(diào)制效率不高。利用嵌入式結(jié)構(gòu)可以將調(diào)制效率（1.08 nm/V）提高2個(gè)量級(jí)［36］，調(diào)制帶寬可達(dá)到149 GHz，調(diào)制器的消光比可以達(dá)到22.13 dB，同時(shí)能耗也有所降低。

圖16　石墨烯基環(huán)形腔結(jié)構(gòu)模型Fig.16　Model of the graphene?based resonator

圖17　環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17　Schematic diagram of the ring waveguide

圖18　石墨烯嵌入式環(huán)形腔調(diào)制器三維圖Fig.18 3D view of the graphene?embedded ring modulator

2.4其它結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器

2012年Lee等人設(shè)計(jì)出在亞波長(zhǎng)厚度襯底上集成單層石墨烯的反射結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器［37］，如圖19所示。銀層既作為背柵又起到反射鏡的作用，Ta2O5（五氧化二鉭）層作為石墨烯的柵絕緣層和襯底。頂層由環(huán)形Ti/Al電極與石墨烯層連接，環(huán)形結(jié)構(gòu)以外的石墨烯用氧化等離子體去除以減小器件電容。反射光穿過(guò)環(huán)形電極由光電二極管接受，被鎖相放大的光幅值通過(guò)離散掃描提取。測(cè)試結(jié)果表明，光的頻率響應(yīng)在0.1 Hz～200 MHz范圍內(nèi)積極，但測(cè)試光強(qiáng)較弱，小于5 kW/cm2。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，可以根據(jù)光學(xué)性質(zhì)的需求對(duì)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在高速振幅調(diào)制過(guò)程，有很好的相位不失真性和頻率響應(yīng)的平坦性，這有利于高重復(fù)率鎖模激光器和干涉儀性能的提高。

圖19　器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.19　Sketch of the device structure

2014年，浙江大學(xué)李威等提出基于微納光纖的石墨烯超快全光調(diào)制器［38］，如圖20所示。利用微納光纖的強(qiáng)倏逝場(chǎng)和波導(dǎo)效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)光與石墨烯相互作用，首次在光通信波段獲得2.2 ps（計(jì)算得到的等效帶寬約為450 GHz；考慮到飛秒脈沖為高斯光束，其時(shí)間?帶寬常數(shù)為0.44，則通過(guò)計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)帶寬大約是200 GHz）的石墨烯超快光調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)制深度達(dá)到38%。同時(shí)，該調(diào)制器結(jié)構(gòu)緊湊、與光纖系統(tǒng)兼容，在光通信、光計(jì)算、光邏輯等方面均具有潛在的應(yīng)用前景［39］。同年，浙江大學(xué)Hao Ran團(tuán)隊(duì)將單模通信光纖側(cè)邊拋磨使纖芯露出，石墨烯覆蓋在纖芯表面［40］，器件的三維圖和完整的光纖側(cè)視圖、經(jīng)過(guò)拋磨的光纖側(cè)視圖以及覆蓋石墨烯層的光纖側(cè)視圖如圖21（a）～（d）所示。可以看出，石墨烯直接與單模光纖的光場(chǎng)最強(qiáng)處相作用。然后通過(guò)二維模型分析法和三維有限時(shí)域差分法對(duì)該模型進(jìn)行分析，這也是首次對(duì)石墨烯與光纖拋磨面相結(jié)合的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。器件的調(diào)制長(zhǎng)度為127 μm，通過(guò)COMSOL仿真與FDTD計(jì)算，在理論上首次建立了相位變化與石墨烯化學(xué)勢(shì)之間的擬線性關(guān)系。通過(guò)該器件良好的光纖兼容性與石墨烯基結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，可以預(yù)測(cè)光纖相位調(diào)制器很可能會(huì)在未來(lái)的光纖通信與傳感領(lǐng)域，特別是全光系統(tǒng)的構(gòu)建上起到重要作用。

2014年，電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)出基于石墨烯的全光太赫茲調(diào)制器［41］，器件原型如圖22所示。該調(diào)制器是基于鍺襯底上石墨烯結(jié)構(gòu)，通過(guò)泵浦光功率的變化改變石墨烯費(fèi)米能級(jí)，從而達(dá)到對(duì)THz波的調(diào)制。在1.55 μm泵浦光下，調(diào)制帶寬從0.25 THz～1 THz，最大調(diào)制深度達(dá)94%，調(diào)制速率約為200 kHz。所用泵浦光為100 fs，脈沖頻率為100 MHz，光最大平均功率為400 mW，光斑直徑為5 mm。與2012年P(guān)eter Weis等人設(shè)計(jì)的硅基石墨烯太赫茲調(diào)制器［41］相比，鍺材料具有更多的載流子（電子和空穴），這能提高器件的表面載流子遷移率，進(jìn)而提升器件性能（調(diào)制深度和調(diào)制速率）。鍺基調(diào)制器另一優(yōu)勢(shì)在于，可以在1.3～1.55 μm波段下對(duì)太赫茲進(jìn)行有效調(diào)制，而硅基僅在810 nm附近有很好的調(diào)制效率，這是硅材料的本征帶隙決定的。所以，這使得硅材料在現(xiàn)有的光纖通信集成問(wèn)題上存在劣勢(shì)［42］。

圖20　全光石墨烯調(diào)制器示意圖Fig.20　Schematic diagram of all?optical graphene modulator

圖21　光纖相位調(diào)制器Fig.21　Phase modulator of the optical fiber

圖22　空間太赫茲波全光調(diào)制器原型Fig.22　Prototype and spatial configuration of the all?optical spatial terahertz modulator

2014年，哥倫比亞大學(xué)與麻省理工大學(xué)的研究人員通過(guò)對(duì)已有的石墨烯與硅波導(dǎo)、腔體結(jié)構(gòu)集成［43］進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出腔體?石墨烯結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器［44］，如圖23所示。雙層石墨烯與二維光子晶體腔依次層疊，中間用BN（氮化硼）隔開，底層以石英為襯底。相比傳統(tǒng)的SiO2/Si襯底，石英襯底可以有效地減小寄生電容的影響。光進(jìn)入腔體與石墨烯耦合，通過(guò)周圍金屬電極電壓變化，調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，改變石墨烯對(duì)光的吸收率。測(cè)試結(jié)果表明，調(diào)制器3 dB截止頻率達(dá)1.2 GHz，這也是由器件RC時(shí)間常數(shù)決定的。調(diào)制深度為3.2 dB，調(diào)制能耗約為1 pJ/bit。光子晶體腔結(jié)構(gòu)與石墨烯強(qiáng)烈的光耦合與電吸收效應(yīng)可以為構(gòu)建高性能、低能耗的光調(diào)制器和集成光互聯(lián)提供了一種思路。

圖23　腔體?石墨烯結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器Fig.23　Schematic of the cavity?graphene electro?optic modulator

3　展望

國(guó)內(nèi)外光調(diào)制器的研究進(jìn)展與各行業(yè)的快速發(fā)展，要求高性能的光調(diào)制器需具備高調(diào)制速率、低能耗、高消光比（調(diào)制深度）以及小尺寸等優(yōu)點(diǎn)。今后研究的重點(diǎn)是突破實(shí)際情況的限制，在保證插入損耗和調(diào)制帶寬的高性能的同時(shí)，兼顧其它性能指標(biāo)不受影響，以達(dá)到最佳的調(diào)制效果。

石墨烯光調(diào)制器的發(fā)展空間巨大，理論上石墨烯具有500 GHz的潛在帶寬。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)是利用新結(jié)構(gòu)、新原理、新方法提高石墨烯光調(diào)制器的調(diào)制速率、調(diào)制深度，進(jìn)一步減小器件尺寸以適應(yīng)未來(lái)光互聯(lián)的發(fā)展要求。由于石墨烯具有獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)以及特殊的單原子層二維晶格結(jié)構(gòu)，使得其完全取代硅材料幾乎是不可能的，且石墨烯的制備、轉(zhuǎn)移、可重復(fù)性以及和CMOS工藝的兼容性都是亟待解決的問(wèn)題。所以，石墨烯基內(nèi)存芯片以及微處理器的問(wèn)世可能還需要十幾年或幾十年的時(shí)間。但隨著石墨烯制備工藝的不斷完善，成本不斷降低，石墨烯大規(guī)模應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，而基于石墨烯優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、熱力學(xué)等特性，尤其是其卓越的光學(xué)性質(zhì)，石墨烯材料有望進(jìn)一步推動(dòng)新型光電器件的研究和應(yīng)用，為光互聯(lián)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Review on optical modulator based on graphene

BI Wei?hong1 2WANG Xiao?yu1FU Guang?wei1 2WANG Yuan?yuan1
1.School of Information Science and Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China
2.The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractBased on the analysis of the optical and electrical characteristics of graphene the development of graphene?based optical modulators are reviewed in this paper which focuses on the modulation principle and distinguishing features of strip waveguide M?Z tructure ring resonator and some other optical modulation structures.

Key wordsreview graphene optical modulator

作者簡(jiǎn)介：?畢衛(wèi)紅（1960?），女，河北盧龍人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感與光電子器件，Email：whbi＠ysu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61475133，61575170）

收稿日期：2015?05?12

文章編號(hào)：1007?791X（2015）03?0189?10

DOI：10.3969/j.issn.1007?791X.2015.03.001

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN216