寬帶高效石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器

圖1 石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器示意圖。(a)三維結(jié)構(gòu)；(b)橫截面結(jié)構(gòu)。

**1. **導(dǎo)讀

光波導(dǎo)相位調(diào)制器是集成光通信系統(tǒng)的核心器件，在高速光通信、光互連及集成光子系統(tǒng)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。然而，受制于傳統(tǒng)電光材料的能帶間隙、電子遷移率等固有極限，傳統(tǒng)鈮酸鋰、硅等調(diào)制器在調(diào)制效率、調(diào)制帶寬(速率)等方面性能仍較低，難以滿足高速光通信技術(shù)快速發(fā)展的需求。石墨烯因具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、零帶隙電子能帶和優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能，被認(rèn)為是最有潛力的電光材料之一，為寬帶高效電光調(diào)制器的研發(fā)帶來了新的機(jī)遇。

近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院葉龍芳副教授研究團(tuán)隊(duì)在Nanophotonics發(fā)表最新文章，提出了一種寬帶高效的近紅外石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案。如圖1所示，通過引入雙半圓形金屬納米條帶混合等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可大幅提升光與石墨烯之間的相互作用并能實(shí)現(xiàn)良好的極化匹配，從而極大提升了該器件的相位調(diào)制性能。理論與模擬研究結(jié)果表明，所提出的石墨烯相位調(diào)制器具有調(diào)制效率高、插入損耗低、調(diào)制帶寬大、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。該研究成果為新一代寬帶高效石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的開發(fā)提供一條新思路，在未來高速光通信、光互連及集成光子系統(tǒng)的應(yīng)用中具有重要價(jià)值。

**2. **研究背景

石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電光特性與易于調(diào)節(jié)的電磁參數(shù)，并可與CMOS工藝技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)，研究基于石墨烯的電光調(diào)制器已成為當(dāng)前電光調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。然而，目前石墨烯調(diào)制器的研究尚處于起步階段，多數(shù)現(xiàn)有的石墨烯波導(dǎo)調(diào)制器存在著光與石墨烯互作用弱、調(diào)制效率低、帶寬窄、能耗高、指紋面積大等問題，亟待解決。表面等離激元能夠突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)深亞波長局域電磁增強(qiáng)效應(yīng)，可用于提升光與石墨烯之間的相互作用。基于此，若能夠通過探索石墨烯-介質(zhì)/金屬復(fù)合波導(dǎo)調(diào)制器新結(jié)構(gòu)，融合石墨烯材料優(yōu)勢與表面等離激元效應(yīng)機(jī)制，則有望突破現(xiàn)有器件中光與石墨烯相互作用弱這一技術(shù)瓶頸，解決調(diào)制效率與插入損耗相互制約的設(shè)計(jì)難題，設(shè)計(jì)出兼具寬帶、高效、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的新型石墨烯波導(dǎo)調(diào)制器，對推動電光調(diào)制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義。

**3. **創(chuàng)新研究

為了克服石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器中光與石墨烯之間存在的極化失配、相位調(diào)制與插入損耗相互制約的問題，廈門大學(xué)葉龍芳團(tuán)隊(duì)提出了一種基于雙半圓形金屬納米條帶混合等離激元石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器。通過模擬仿真研究表明，如圖2所示，所設(shè)計(jì)的石墨烯相位調(diào)制器具有極強(qiáng)的亞波長電場局域增強(qiáng)效應(yīng)，并且其導(dǎo)波模式電場的主要分量為與石墨烯平面平行的Ex和Ez，實(shí)現(xiàn)了良好極化匹配，顯著增強(qiáng)了光與石墨烯之間的相互作用，極大提升了調(diào)制器的調(diào)制效率。不僅如此，如圖3(a)所示，隨著石墨烯化學(xué)勢從0.55 eV變化到0.75 eV，該長度為20 μm的石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的相位從0大范圍線性變化至1.86π，而其衰減常數(shù)維持在0.31 dB/μm幾乎不變，解決相位調(diào)制與插入損耗相互制約的問題。特別地，這些石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的優(yōu)異特性與雙半圓形金屬納米條帶引入的表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)密切相關(guān)，與沒有金屬納米條帶的調(diào)制器結(jié)構(gòu)相比(見圖3(b))，無論是在相位調(diào)制效率還是在插入損耗方面都有明顯的優(yōu)勢。

圖2 石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的電場分布圖

圖3 石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的相位變化和衰減常數(shù)。(a)有金屬納米條器件的相位變化和衰減常數(shù)曲線；(b)無金屬納米條器件的相位變化和衰減常數(shù)曲線。

隨后，研究人員將該石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制應(yīng)用于馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)中，如圖4所示，通過對兩臂施加不同偏置電壓的方式，實(shí)現(xiàn)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的幅度調(diào)制。當(dāng)設(shè)置一臂的電壓為4.52 V (對應(yīng)石墨烯化學(xué)勢為0.55 eV)而另一臂電壓為5.93 V (對應(yīng)石墨烯化學(xué)勢為0.65 eV)時(shí)，馬赫-曾德爾干涉儀可實(shí)現(xiàn)VπLπ低至118.67 V μm、消光比可達(dá)80 dB以上，顯示了極高的相位調(diào)制效率。

圖4 基于石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的馬赫-曾德爾干涉儀。(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)器件傳輸率與石墨烯化學(xué)勢之間關(guān)系曲線。

此外，該團(tuán)隊(duì)還研究了石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器的3 dB調(diào)制帶寬特性，通過采用等效電路方法研究表明，調(diào)制器的調(diào)制帶寬主要取決于等效的石墨烯電阻、電極接觸電阻和石墨烯平行板電容。由于導(dǎo)波模式電場主要束縛于雙半圓形金屬納米條帶狹縫亞波長區(qū)域中，通過減少石墨烯平行板電容中的石墨烯重疊部分寬度，可以減小調(diào)制器的電容，進(jìn)一步增大調(diào)制帶寬。如圖5所示，當(dāng)石墨烯重疊部分寬度由600 nm 減小至110 nm，器件調(diào)制帶寬將從67 GHz提升到370 GHz，而幾乎不影響其調(diào)制效率和插入損耗。

圖5 減小石墨烯重疊面積的石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器。(a)橫截面結(jié)構(gòu)與等效電路圖；(b)相位變化和衰減常數(shù)曲線。

**4. **應(yīng)用與展望

研究團(tuán)隊(duì)提出的基于雙半圓形金屬納米條帶混合等離激元石墨烯波導(dǎo)相位調(diào)制器，得益于良好的極化匹配與極強(qiáng)的光與石墨烯相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)兼具大寬帶、高效率、低插損、低能耗等優(yōu)越的相位調(diào)制特性，在未來高速光通信、光互連以及集成光子系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

該研究成果以“ Broadband high-efficiency near-infrared graphene phase modulators enabled by metal-nanoribbon integrated hybrid plasmonic waveguide ”為題在線發(fā)表在Nanophotonics。