石墨烯集成波导电光调制器研究

发布时间：2020-04-03 21:35

【摘要】：高速、宽带、紧凑的光调制器是十分重要的光通信系统器件,石墨烯具备的费米能级可调、超高载流子迁移率以及超高热导率等特性,使其与光波导结合的调制器满足宽带宽、超快调制、高集成度、低调制功耗等需求。氮化硅波导与硅波导相比,具有传输损耗小、非线性损耗低、制备工艺简单等优点。本论文以基于双条形氮化硅光波导结构的石墨烯电光调制器、TM-Pass偏振器和基于氮化硅微环谐振器结构的石墨烯热光调制器作为研究对象,重点研究了器件的调制原理、结构仿真设计和性能分析。本文首先通过有限元算法对基于双条形氮化硅波导的四层石墨烯电吸收光调制器进行设计和优化,得益于石墨烯层之间的共电极设计,器件的总电阻降低了50%。结果表明所提出的石墨烯调制器实现了在1550nm波长下3dB调制的有源长度为18.09μm,调制器的消光比和品质因数分别达到0.1658dB/μm和9.7,调制带宽高达30.6GHz,并且调制开关电压范围只有ΔV=3.8180V和能量消耗为780.50fJ/bit。利用该四层石墨烯/双条形氮化硅波导混合结构对TE模式吸收强,TM模式吸收弱的传输特性,该波导结构还可作为低损耗和宽带TM-Pass偏振器。当偏振器的长度为200μm时,TE模式的插入损耗可达39.2dB,TM模式的插入损耗只有0.8dB,从而使得偏振器的消光比ER高达38.4dB。另外,该偏振器也可实现在1520-1720nm宽带波长范围内高于33.8dB的消光比和低于0.87dB的插入损耗。最后设计了易于制备的单层石墨烯氮化硅微环热光调制器,数值仿真得到该调制器的消光比达到40dB,半高全宽(FWHM)为0.33nm,上升和下降响应时间分别为17.8μs和18.3μs。同时,对石墨烯的转移进行了实验探究和表征,并初步实验制备器件。通过以上研究,对氮化硅波导平台上的低损耗紧凑高速调制器和宽带偏振器进行了补充。同时,提出的石墨烯氮化硅微环热光调制器具有良好的调谐性能和可行性。
【图文】：

光场分布,调制器,三维结构图,场分布图

[22]，该调制器的三维结构和波导中传输的光场分布如图 1.1 所示。图1.1 单层石墨烯调制器的三维结构图和波导中光场分布图该调制器在入射光为 1.53μm 时，调制深度 0.1dB/μm，，器件 3dB 调制带宽最大为1.2GHz，调制光带宽范围为 1.35μm-1.6μm，器件仅有 25μm2，工作电压范围：-4V-4V。但是由于该调制器只有一层石墨烯对光吸收调制，以及器件中使用硅波导同时作为调制器的接入负极，导致该调制器的插入损耗较大，实现消光比效果不佳。2012 年

调制器,石墨,三维结构图,调制效率

其结构如图 1.2 所示。与单层的石墨烯调制器相比，该双层石墨烯调制器在调制效率、消光比和调制深度等方面得到了改善。图1.2 双层石墨烯调制器的横截面图和三维结构图
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1

【参考文献】