SOI环形光波导谐振腔双层石墨烯调制器

在片上光互连系统中,电光调制器起到将电信号调制为光信号的作用,是光互联系统中的核心部件之一。调制器的3 dB带宽决定着载波所能携带的最大信息量,是衡量调制器性能的核心参数。利用石墨烯和高Q环形谐振腔设计成具有CMOS结构的新型调制器,其集成了石墨烯的宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势,通过理论计算,其3 dB调制带宽可以达到100 GHz。同时,基于微环谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成,从而提升片上光互联系统的集成度和降低技术复杂性。     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550 nm的工作波长下可以实现较为出色的调制性能,其3 dB调制带宽高达250 GHz,调制深度和功耗分别高于0.15 dB/μm和低于11.5 fJ/bit,该调制器可为新一代高性能集成电光调制器的开发提供设计思路.     

基于耦合调制矩形环谐振腔高速电光调制器

针对基于腔内折射率调制效应的微环电光调制器高Q值和调制带宽相互制约的问题,提出一种基于耦合调制方式的矩形环谐振腔电光调制器.器件由基于受抑全内反射原理的沟槽型光耦合器和基于全反射原理的90°弯曲波导构成.通过建立时域动态模型对器件进行仿真设计,可得其调制相位小于0.2π、静态调制深度大于0.96(归一化最大值为1.0)、调制带宽大于100GHz.该器件片占面积为10μm×15μm,高效紧凑,满足高度集成、低能耗和高速调制等要求,可向二维方向配置和扩展.该器件可应用于单片光子集成回路.     

三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件

提出了一种三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件,该器件由单层石墨烯覆盖的一维光子晶体纳米梁腔电光调制模块和纳米线波导模分复用模块组成。利用三维时域有限差分法进行仿真分析,结果表明,该器件可以同时实现TE₀模、TE₁模和TE₂模的调制和模分复用功能。当波长为1 570 nm时,消光比大于28.3 dB,插入损耗小于0.21 dB,信道串扰小于-28.6 dB,调制器的3 dB带宽达到100 GHz,器件尺寸约为100μm×13μm。该集成器件性能优良,在大容量光通信系统中具有重要的应用价值。     

基于嵌入填充层的薄膜铌酸锂-氮化硅电光调制器

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO₂,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了相应的电光调制器,并提出一种倒台阶型薄膜结构,该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计,所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm,3 dB调制带宽为140 GHz,且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势,助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。     

基于Add-drop型微环谐振腔的硅基高速电光调制器设计

相比于传统的All-pass型微环谐振腔硅基电光调制器, Add-drop型微环谐振腔可提供更多的设计自由度, 使调制器在不改变杂质掺杂浓度的情况下就能在调制带宽和消光比性能上获得均衡考虑. 本文设计了基于Add-drop型微环谐振腔的高速、且在低调制电压下实现大消光比的硅基电光调制器, 所用微环谐振腔的半径仅仅为20 μm. 重点分析了直波导与微环谐振腔的耦合对调制器性能的影响, 发现较小的Drop端耦合系数有利于消光比的提高, 但是不能同时达到最佳的调制带宽, 因此设计上存在一个带宽和消光比性能上的折中考虑. 根据优化设计的结果进行了实际器件的制作和测试. 静态光谱测试表明, 在3 V反向偏置电压的作用下, 调制器的消光比最大可达12 dB. 动态电光响应测试中, 在仅仅1.2 V的信号幅值电压下测得了8 Gbps数据传输速率的清晰眼图. 关键词： 电光调制器 绝缘体上的硅 微环谐振腔 载流子色散效应     

行波电极硅-有机复合集成电光调制器理论分析与实验研究

对基于行波电极的硅-有机复合集成电光调制器进行研究,构建调制器的波导电极结构模型,分析特征阻抗和微波有效折射率对调制器频率响应的影响。通过对电极结构的仿真优化,完成调制器芯片的设计与制备,研究电光聚合物材料的片上极化工艺,得到高性能硅-有机复合集成电光调制器。对研制调制器电极的电学S(Scatter)参数进行测试,分析得到的电极特征阻抗和有效折射率与仿真设计结果基本相符。测试得到电光调制器的3 dB带宽大于50 GHz。     

基于Franz-Keldysh效应的倏逝波锗硅电吸收调制器设计

本文设计了一种基于Franz-Keldysh (FK) 效应的GeSi电吸收调制器. 调制器集成了脊形硅单模波导. 光由脊形硅波导以倏逝波形式耦合进锗硅吸收层. 在硅基锗二极管FK效应实验测试的基础上, 有源区调制层锗硅中的硅组分设计为1.19%, 从而使得器件工作在C (1528–1560 nm) 波段. 模拟结果显示该调制器的3 dB带宽可达64 GHz, 消光比为8.8 dB, 而插损仅为2.7 dB. 关键词： 锗硅 调制器 电光集成     

基于石墨烯的D型双芯光纤调制器

利用石墨烯独特的吸收特性以及双芯光纤两芯之间的耦合作用,提出并设计了一种基于石墨烯的D型双芯光纤(DTCF)调制器的结构,该结构结合了吸收调制和耦合调制的优势。仿真验证了结构的调制可行性,基于有限元法数值模拟分析了调制器传输模式、两纤芯半径、纤芯距、石墨烯层数、过渡层材料对调制器性能的影响,并通过性能优化最终实现了调制带宽为8.557GHz、消光比为67.64dB、半波电压为1.763V、调制深度为98.75%、插入损耗为1.4dB、调制器长度为3.07mm的高性能调制器。     

基于石墨烯的高效复合波导调制器研究

提出了一种基于石墨烯的复合波导调制器,用严格的三维数值仿真结果展示了该调制器的工作状态。利用调制器狭缝中的表面等离激元对电磁波的强约束,增强了光与石墨烯间的相互作用,提高了调制器的调制性能,调制效率可达0.197dB·μm~(-1)。在调制器长度为15μm时,可实现调制深度为3dB的开关键控效应,此时的插入损耗为0.4dB,调制带宽可达1.85GHz。设计了与输入波导相连接的耦合器,在耦合器总长度仅为1μm的条件下,实现了86.6%的耦合效率。     

基于石墨烯涂覆空心光纤电光调制特性的研究

设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构, 将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上, 利用有限元法研究了该结构的电光调制特性. 通过改变石墨烯的化学势可以调控光纤的相位和开关特性, 还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度. 然而, 空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置, 只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度, 而且由N 层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍. 这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗, 通过改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数, 而石墨烯的层数和空气孔半径却不会改变石墨烯的介电常数, 但是改变了石墨烯和光的作用强度. 经过参数优化之后, 我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器, 工作在1180–1760 nm波段, 具有小尺寸(5 mm×125 μm)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz) 和低插入损耗(1.23 dB) 特性. 研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.     

硅基GHz高速电光调制器研究进展

硅基高速电光调制器是新一代密集波分复用系统和光时分复用系统中的关键光电子器件，他的运用可以降低光通讯系统的制作成本并且大大有利于未来的硅基光电集成．目前国际上已经实现的硅基高速电光调制器件的调制速率已经超过6GHz．文章对国外硅基高速电光调制器的最新研究进展进行了介绍，评述了各种基于不同电学和光学结构的硅基电光调制器，对不同类型器件在制作和应用中的优缺点进行了比较．     

基于氧化石墨烯/聚苯乙烯电光调制器的运转模式可切换光纤激光器

利用电信号改变氧化石墨烯（GO）固有的光学吸收特性,可以实现对光纤锁模激光器输出性能的有效调控。在GO中引入聚苯乙烯（PS）纳米微球可以实现光波导结构,进而形成局域场并有效降低器件损耗。因此,采用微电子打印工艺制备了基于GO/PS的电光调制器,并以较低的泵浦功率（34.3 mW）实现了环形光纤激光器运转模式的主动调控。在0～20 V的调制电压下,激光器实现了连续波、调Q锁模、锁模三种运转模式的切换。所设计的全光纤电调制器件将锁模信号的脉冲宽度压缩到了20 ps,对应的重复频率为21.4 MHz。通过调控驱动电压,该器件的插入损耗从2.30 dB降低到了0.86 dB,平均输出功率从1.09 mW提升了1.52 mW。     

热交联型聚氨酯集成双通道电光调制器的制备及其性质的研究

研究了交联型聚氨酯材料集成衰减全反射型双通道聚合物波导电光调制器的制备和性能。这种电光调制器的制备技术非常简单,只要用两个分立的下电极代替单通道调制器中的下电极即可。通过测量器件的调制特性,在832 nm波长下,获得了最大电光系数为24.2 Pm/V,调制带宽约为500 MHz、插入损耗低于1.5 dB。由于器件上下电极的垂直距离为微米级、而通道之间的水平距离为毫米量级的设计,使各通道之间的场不会引起相互交迭,因而未测到各通道间的串扰。另外,热交联型聚合物材料的采用提高了整个器件的热稳定性,在100℃经过800 h后,电光系数仍然保持初值的88%。     

推挽极化Y型耦合器电光调制器的傅里叶建模与表征

设计了一种高线性度、无偏置聚合物Y型耦合器电光调制器,它由Y型分束器、Y型合束器、两节推挽极化电光耦合波导构成的电光区和一个微带行波电极构成,给出了器件结构并对其参数做了优化。通过对施加的电学调制信号做傅里叶变换并结合器件的传递函数,给出了一种新型数值方法来建模和表征器件的静态和动态特性,推导并得到了器件的状态函数、静态响应、调制响应、三阶内调响应等表达式。计算和分析结果显示,器件的半波电压为2.69V;3dB调制带宽约为143GHz;当调制系数为1%~10%时,基频信号对器件所产生三阶内调噪声的抑制比为60dB~90dB。所给出的理论和相关公式也可用于具有Y型耦合器结构的类似电光器件(如电光开关)的设计、建模和分析。     

新型电光陶瓷调Q光纤激光器

报道了基于OptoCeramic(R)电光陶瓷材料的新型调Q光纤激光器.采用976 nm半导体激光器作为抽运源,电光陶瓷调制器作为Q开关,峰值吸收系数1200 Db/m的高掺杂镱纤作为增益介质构成环形腔激光器.增益光纤的高掺杂浓度使得激光器的腔长得到缩短,输出光脉冲的宽度得到压缩.通过调节电光元件的电压,控制材料的折射率,调节谐振腔的损耗,实现Q开关作用.实验中通过改变腔长、抽运功率和重复频率,研究了脉冲的输出特性.获得最窄脉宽104 ns,重复频率3～40 kHz连续可调的调Q脉冲输出.     

基于单通道反射型电光调制器实现不同路光同时调制的方法

提出了一种利用单通道反射型聚合物电光调制器同时调制不同路光的方法。衰减全反射结构的电光调制器,其每一个衰减全反射(ATR)峰的位置分别对应于一个导波共振模式。实验系统中利用衰减全反射导膜峰作为调制通道,使其每一路光路的入射角分别对应于不同导波共振模式的工作角,就可以实现利用单通道的电光调制器同时调制不同路光。提出了三种实现两路光同时调制的模式,并给出了三种模式的调制结果。结果表明,作为调制通道的导模阶数越低,调制效率越高。在832 nm光波波长下,采用最低阶导模进行调制时可以获得42.9%的调制效率。     

基于石墨烯表面等离激元的双支节结构光电调制器

构建了一种含双支节结构的石墨烯/介质/石墨烯亚波长波导结构。该结构将支节结构的选频特性和石墨烯的电可调特性相结合,能够实现在可见光到中红外范围内对入射光光强的动态调制。表面等离激元将光能量局限在纳米尺度的介质狭缝中,使调制器突破衍射极限,并且增强了石墨烯与光的相互作用。利用有限元法分析了石墨烯的化学势、支节长度以及介质材料对波导结构输出光强的影响。仿真结果表明:当入射波长为1550nm、支节长度为315nm、化学势由0.80eV下降到0.78eV时,消光比可达到6.77dB。与传统调制器相比,所提光电调制器能够在保证高消光比的同时具有较高的调制效率,并且体积小、结构简单紧凑,可满足大规模集成应用的要求。     

基于有限元法的新结构LiNbO3电光调制器的分析与优化

对传统结构的LiNbO3电光调制器进行了改进,并用有限元法对改进后的电光调制器进行了分析计算,采用T形电极、脊波导和空气背槽的新型LiNbO3电光调制器在进行了结构尺寸优化后,相速完全匹配,带宽可达98 GHz,特性阻抗为52 Ω,损耗系数为0.464 dB/(cm·GHz1/2),半波电压为7.13 V,其性能远优于传统结构的调制器.     

基于1.06μm波长的谐振腔型石墨烯光电探测器的信噪比分析

雪崩光电二极管由于具有高增益特性而广泛应用于激光测距机中,但由于在电流倍增过程中引入的高附加噪声,使激光测距机进一步提高信噪比遇到了瓶颈。石墨烯具有高电子迁移率、零带隙结构、独特光吸收系数等特性使其广泛应用于激光器、光调制器、透明电极以及超快光电探测器。该研究提出了一种高信噪比的谐振腔型石墨烯光电探测器的设计方法。以波长为1.06μm的激光为例,采用光学传输矩阵法和散射矩阵法,研究了光波在谐振腔传输和吸收层吸收的机理,建立了谐振腔型光电探测器的光吸收模型,通过优化,器件最终量子效率达到91.2%,响应度达到0.778A·W~(-1),半高全宽达到6nm;分析石墨烯在谐振腔中的位置对器件吸收率的影响,发现在满足谐振条件下,器件吸收率随石墨烯位置呈现周期性变化,腔长的改变不改变吸收率峰值,而是改变了吸收率峰值对应的石墨烯在谐振腔中的位置,当腔长是入射光半波长的n倍时,随着石墨烯位置变化,将出现2n个吸收率峰值,且关于谐振腔中心点对称分布;选择石墨烯距顶层反射镜0.402 8μm时,器件吸收率达到94%,相比单层石墨烯,吸收率提高了16dB;通过对比求解谐振腔型石墨烯光电探测器和雪崩光电二极管信噪比方程,得出谐振腔型石墨烯光电探测器信噪比可达到90.3,较雪崩光电二极管提高了10dB;理论分析表明,谐振腔型石墨烯光电探测器具有高吸收率、高量子效率和高信噪比,研究成果将对激光测距机接收系统中光电探测器的更新设计和应用提供理论参考。