硅基石墨烯电光调制器简述

导读

硅基光电子技术采用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法，将微纳光电子器件集成在同一硅衬底上，从而实现“低成本、紧凑、低能耗的”集成信息系统，该方法被认为是下一代半导体芯片的关键技术。硅基电光调制器作为集成光电子芯片中的核心器件之一，需要新型调制技术来适应不同的应用场景。而混合集成的硅基石墨烯电光调制器因具有“小尺寸、高效率、低功耗、低成本”的优点在研究中备受青睐。最近，来自北京大学的王兴军教授及其团队在 Photonics 期刊上发表了有关“硅基石墨烯电光调制器的发展历程”的研究综述，并从应用场景的角度概述了其发展潜力。

研究过程与结果

一、硅基石墨烯调制器的原理

石墨烯作为一种二维材料，由于其独特的价带结构而展现出优异的电光特性。其宽带光谱响应和超高的迁移率使其实现电光转换的绝佳材料。通过栅压调控石墨烯费米能级的方式，可以实现对电导率的调控，从而导致折射率和光学损耗的改变，即“电光调制”。由于石墨烯为层状结构，其复折射率表现出各向异性。通常认为，在与波矢平行的平面上，介电常数随电导率变化而变化，而在垂直平面上相对介电常数为可以等效为常数。图1为硅基石墨烯电光调制器的等效折射率和损耗随费米能级变化的关系。

图1. 等效折射率和损耗随费米能级变化；理想透射谱振幅响应 (红色虚线) 和仿真透射谱振幅响应 (蓝色实线) 对比。

硅基电吸收型调制器主要基于栅控损耗调节的特性是，根据栅压调控的原理，可以将硅基石墨烯调制器分为基于石墨烯-氧化物-硅 (GOS) 的单层结构和基于石墨烯-氧化物-石墨烯 (GOG) 的双层结构。基于单层和双层硅基石墨烯调制器的代表器件如图2所示。

图2. 典型的硅基单层 (a) 和双层 (b) 石墨烯电光调制器。

通过引入光学谐振腔的方式可以实现石墨烯对光场更高效的调控作用。已经报道了基于微环、表面等离子体激元和光子晶体的“硅基石墨烯调制器”(如图3所示)。

图3. 与硅基光学谐振腔结合的石墨烯电光调制器：微环 (a)、表面等离子体 (b) 和光子晶体 (c)。

二、石墨烯电折变型调制器

石墨烯电折变型调制器在高费米能级的条件下运行，当栅压变化时，主要引起有效折射率的变化从而导致光相位的改变，进而实现电光调制。这种相位型电光调制器通常采用马赫曾德尔的干涉结构将相位变化转化为强度变化。基于相位变化的电调制器同样也具有单双层石墨烯结构，可与微环结合实现更高效的相位调制，同时也可与其他二维材料 (如硫化钼、硫化钨) 组合成为电容结构实现相位调制，图4中总结了“石墨烯电折变型调制器的结构和其调制性能测试结果”。

图4. 石墨烯电折变型调制器：单层 (a-c)、微环 (d)、双层 (e) 和与其他二维材料的混合集成 (f-g)。

三、硅基石墨烯电光调制器的应用潜能

硅基石墨烯电光调制器在通信场景中的应用潜能被不断挖掘，在长距离传输，及高低温等劣化环境下，石墨烯调制器表现出优异的特性。在走向实用的过程中，面向晶圆级量产的硅基石墨烯调制器制备工艺、适用于石墨烯调制器的封装技术都在被探索与开发，与波分复用等大容量的传输技术之间的衔接更为成熟 (如图5所示)。

图5. 硅基石墨烯电光调制器在通信应用中的发展。

硅基石墨烯调制器也被应用到了微波光子应用中。其可以实现高线性的电光调制，并且可以用作光开关来实现对信号的切换和处理 (如图6所示)。

图6. 硅基石墨烯电光调制器在微波光子技术中的发展。

四、研究总结

本文详细叙述了硅基石墨烯电光调制器的发展过程，涵盖吸收型和电致折变型的电光调制器原理、单双层石墨烯的电光调制器结构、与不同光学结构集成的电光调制器件以及其在通信和微波光子应用中的探索。最后，关于硅基石墨烯电光调制器的特性总结如表1所示。

表1. 硅基石墨烯电光调制器性能。

文章来源：Photonics 期刊 

原文撰稿人：金明

所属机构：北京大学信息科学技术学院

版权归作者所有。