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。     

低驱动、高调制X-Cut铌酸锂电光调制器的优化设计

利用定向耦合器代替Y形分支结构,在X-cut铌酸锂(LN)基底上设计了一款具有低驱动电压、高调制参数的马赫-曾德尔(M-Z)型电光调制器。采用有限元法对定向耦合器的原理及影响因素进行了详细分析和精确计算,并对电光调制器的关键结构参数进行了优化。结果表明:光波沿着定向耦合器传播时,能量在两波导中来回交替,呈正弦和余弦函数分布,并且耦合长度随着其间距的增大而快速增大。在调制臂长为3cm,光波长为1550nm的情况下,单臂调制所获得的半波电压Vπ为2.22V,调制参数S21为-51.13dB。通过对调制臂进行截面分析,给出了电场Ex分量、电位移矢量Dx分量和光模分布,并求得重叠积分因子为0.486。同时还表明脊形波导结构有利于提高电光作用效率。当脊高为1μm时,重叠积分因子为0.714,相较于平板波导,其电光重叠积分因子提高了46.91%。     

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LiNbO_3的长周期波导光栅可调谐耦合器的设计

设计了一种基于LiNbO_3的长周期波导光栅可调谐耦合器.该耦合器利用长周期光栅的独有特性将输入波导的导模经包层模耦合至输出波导导模.由于LiNbO_3的电光效应,波导光栅芯层与包层的有效折射率随外加电压变化,从而耦合器的谐振波长及耦合效率可由外加电压调谐.分析了光栅周期与耦合器的长度对耦合器带宽和耦合效率调谐范围的影响,以及波导尺寸对谐振波长调谐灵敏度的影响.结果表明光栅周期越短,耦合器长度越长,则耦合器的带宽越窄,耦合效率调谐范围也越大.此外,谐振波长调谐灵敏度随波导宽度的增加而减小,而波导厚度对谐振波长调谐灵敏度的影响可以忽略.对光栅周期为94μm、长度为3.52cm的耦合器进行仿真,结果表明,谐振波长灵敏度为26.2pm/V,3dB带宽可达4.5nm,当外加电压从0变化到200V时,谐振波长变化5.24nm,耦合效率可在1到0.15之间进行调谐.     

石墨烯覆盖微纳光纤复合波导全光优先吸收特性

利用二氧化碳激光器加热法,将普通单模光纤拉制成微纳光纤,用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导,不同波长的光通过耦合器进入复合波导,以倏逝波的形式与石墨烯相互作用,开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时,随着入射强度的增长,测得输出端长波信号光光谱的变化,获得了约3.5 dB的调制深度,0.62 dB·mW-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时,在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明,随着任意波长泵浦光入射光强的增长,复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化,得出长波的透过率增加速度比短波更快,并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。     

0.73～1.7μm超宽带微纳光纤波导全光调制器

提出了单层石墨烯包裹双锥形微纳光纤复合波导结构,构建了730~1 700nm超宽带微纳光纤波导全光调制器。通过火焰拉锥法将一根标准的通信单模光纤拉成具有双锥形的微纳光纤,在保证通光率的前提下可以极大的提升微纳光纤处的倏逝波与物质的相互作用。利用石墨烯的"超级特征",即单原子层厚度、线性色散的能带结构、超强的载流子带间跃迁及极短的弛豫时间和超宽带光与物质相互作用等,将单层石墨烯作为可饱和吸收体,包裹在双锥形微纳光纤波导的锥体上,以增强该复合波导表面倏逝波与石墨烯的相互作用。静态和动态全光调制实验中采用传统808nm低功率LD作为泵浦光,对谱宽为480~1 700nm的超连续谱探测光实现了光光调制,其泵浦光功率低于50mW,调制深度大于5.7dB,调制速率达到~4kHz。该微纳光纤波导全光调制器,在保证调制深度的情况下,用更低的泵浦功率实现了超宽带的全光调制,以简单、有效、廉价的方式兼容了当前高速光纤通信网络,打开了一扇未来对微纳超快光信号处理的大门。     

基于石墨烯的宽带全光空间调制器

提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上,当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递,并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处,依据石墨烯的优先吸收特性,通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收,实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB,调制带宽约为50 nm,调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比,输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.     

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.     

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。     

高速异型掺杂的硅基槽波导调制器

针对硅基单端推挽调制器的pn结结电容大、调制效率低的问题,设计出一种基于异型掺杂和槽波导结构的硅基调制器。通过槽波导结构和L型掺杂增大了耗尽区与光场相互作用,与传统脊波导相比,在相同调制效率下,槽波导的结电容降低了24%,带宽提高了32%。采用T型轨道的电极实现阻抗和折射率的匹配,4 V偏压下调制带宽达到42 GHz,实现了峰峰值电压V_pp=2 V驱动下70 Gbit/s的OOK信号调制,眼图消光比达5.2 dB。     

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     

退火质子交换平面波导型电光调制器的研究

基于双棱镜耦合m线技术提出了一种新型的平面波导强度调制器。由于质子交换平面波导的导波层在加上电场后折射率发生变化，从而引起棱镜耦合输出的m线强度的变化，实现电光调制。讨论了电极间隙宽度和导波层吸收对器件性能的影响。与其他类型强度调制器相比，这种调制器具有简单的电极结构，而且调制带宽可达40GHz以上。     

一种改进的2×2 SOI Mach-Zehnder热光开关

本文设计并制作了基于强限制多模干涉耦合器的2×2 SOI马赫-曾德热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的多模干涉耦合器和输入/输出波导,较大地提高了干涉耦合器的性能并减少了连接耦合损耗.同时,在调制臂区域采用浅刻蚀结构,保持其单模调制状态.深刻蚀多模干涉耦合器具有优越的特性,在实验中测得不均衡度只有0.03 dB,插入损耗－0.6 dB.基于这种耦合器的新型热光开关,其插入损耗为－6.8 dB,其中包括光纤-波导耦合损耗－4.3 dB,开关时间为6.8 μs.     

覆石墨烯微纳光纤双折射与电光调控特性

石墨烯具有特殊的二维柔性结构,可调控费米能级特性和优异的光学、电学性能。利用有限元法,对覆石墨烯微纳光纤光场调控进行理论分析,通过改变石墨烯与缓冲层结构覆微纳光纤的角度,破坏光纤的对称性结构,使光纤具有双折射特性,双折射度大小与石墨烯覆盖角度有关;通过外加电压的方法改变石墨烯的化学势,可对光纤进行开关调控,由此设计出一种包覆石墨烯的微纳光纤电吸收型调制器并进行性能分析。通过数值分析可发现当覆盖光纤角度为270°时,1550nm处双折射度可达1.23×10-3;电吸收调制器工作在1550nm时,器件长度为18μm,消光比为7dB,3dB带宽可达到927 MHz,插入损耗为0.58dB。     

基于亚波长光栅的高集成度垂直光耦合器

设计了一种基于亚波长光栅的具有高集成度、高耦合效率的垂直光耦合器,在1.5～1.6μm波长范围内实现了大于97%的耦合效率,且器件长度仅为15μm,是传统基于绝热拉锥波导的垂直耦合器尺寸的十分之一,提高了系统的集成度。在亚波长光栅占空比、拉锥波导尖端尺寸以及波导错位方面,所设计的耦合器均具有较大的工艺误差容限,在异质集成领域展现出了良好的应用前景。     

铌酸锂薄膜器件脊形波导和光纤耦合特性研究

铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势,目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时,其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8μm时,铌酸锂脊型波导与单模光纤（UHNA7）的耦合效率可达33.8%,而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时,脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到1.98 dB。     

基于铌酸锂薄膜波导的电光调谐光栅辅助定向耦合器研究

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配,可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地,在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺,并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1 595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度,其电光调谐效率为0.38 nm/V(1 595.3 nm～1 599.0 nm),热光调谐效率为0.14 nm/℃（25℃～50℃）。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。     

新型极化聚合物薄膜电光调制器研究

用对硝基偶氮苯类为侧链的键合型聚合物，采用高温电晕极化的方法制作电光薄膜，设计并构造极化聚合物薄膜电光调制器。当通光方向和极化方向平行并且垂直于极化聚合物薄膜的表面时，利用法布里-帕罗（F-P）腔中多光束干涉，可以把通过的光由位相调制转化为强度调制，有利于电光调制器的小型化和高速封装。用这种聚合物薄膜电光调制器测量了锢锡氧化物共面波导上的电信号，并对系统的工作原理进行了分析。实验结果表明，薄膜调制器具有线性电光效应；当F-P腔的精细因子为20（为1.3μm的光），调制电场为1V/μm时，研制的极化聚合物电光调制器的调制深度可达到0.01%。     

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。