基于S型Y分支波导的石墨烯M-Z电光调制器设计.pdf

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基于蚘分支波导的石墨烯猌电光调制器设计光电器件勇,陆荣国★,吕江泊,沈黎明,林瑞,刘永引言窘峁股杓周摘利用软件设计了一种基于蚘分支共ǖ嫉氖㎝电光调制器,并对种Рǖ记拾刖丁⑾辔槐鄢ざ取⑿静慵渚嗪褪淙胧涑鲋辈ǖ汲ざ鹊冉峁共问缘髦器的影响进行了分析。在此基础上对电光调制器的性能指标进行了计算和优化,最终设计出了带宽为⑾獗任的硅基石墨烯猌电光调制器。关键词:石墨烯;猌电光调制器;蚘分支波导;绝缘体上硅脊形波导中图分类号:籘文章编号:——随着光通信的高速发展,片上光互连技术成为亟待解决的关键问题,近年来得到了广泛的研究。电光调制器作为片上光互联系统中的关键器件,其性能的优劣直接影响着光信号的传输质量和系统的稳定性比亲钪匾5募晒獾缱悠骷弧石墨烯具有优异的电学和光学特性,而且与光具有强烈的相互作用,载流子迁移率高,光导率随栅压变化¨帜芄挥隒ひ占嫒荩庑┯旁降特性为基于石墨烯的新型电光调制器的研究提供了司能。基于獄干涉仪结构的电光调制器利用两束光波的干涉相长相消原理来实现开关状态的转换,光学信号对这种结构不敏感,因此它的光学带宽大,温度容差高口T诹奖凵锨度胧┛梢越徊皆强电致折射效应,减小了器件尺寸,且石墨烯有助于降低猌调制器的啁啾¨1疚耐ü許型支共ǖ冀峁沟牡绻獾髦破鞯髦圃淼纳钊分析和仿真,设计出一种大带宽、小尺寸的猌电光调制器,并对器件性能指标进行了计算和优化。基于石墨烯的猌电光调制器的调制机理是通过调控石墨烯的化学势,改变石墨烯的有效折射率,根据电致折射效应,进一步改变光波在参考臂和《半导体光电》年碌淼期基于蚘分支波导的石墨烯绻獾髦破魃杓/甶要:琒。猌;猌基金项目:国家重点研究发展计划项目;四川省科学技术计划项目恢醒敫咝?:,琇,,.籗—籹——收稿日期:——.琔畂珻,:
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调制臂中的传播相位,使得两光波在第二个种波导处发生干涉,从而实现强度调制。脊型波导结构与分析本文采用г沧魑<共ǖ忌杓频幕 ,硅层的高度,宽度钆硅平板层厚度,具体结构如图尽电光调制器波导结构的设计通常要求单模传输。根据波导理论¨呕蠼夥⑾謍一时,基模的模场分布被很好地限制在脊区且光场较强。利用设计出的脊波导结构如图示,蓝色部分为脊区硅波导,上方为空气覆盖层,下面为二氧化硅衬底层。采用模式分析的方法,设置模式分析频率为人射光频率,得到脊波导光场分布如图尽=墨烯嵌入脊波导中时,石墨烯放置在光场最强处,可以最大限度地增强光与石墨烯的相互作用,从而改善调制器的性能弧从图梢钥闯觯琓D5墓獬∽畲笾翟处,即在脊凸起和高折射率平板层交界线上方Γ籘D5墓獬∽畲笾翟在脊凸起和高折射率平板层交界线上方处。石墨烯与硅之间由厚的六方氮化硼作为介质,可以维持石墨烯的高载流子迁移率,提高调制速率¨“。。通过分析嵌入单层到四层石墨烯对脊波导中。模和。模有效折射率的影响,可以得出对于。模和。模,实部和虚部的改变量均随石墨烯层数的增加而线性增大。同时,在嵌入石墨烯层后,当。模有效折射率实部取极值时,对应虚部的值也很大,即损耗很大。因此,为了降低损耗对调制器性能的影响,本文在后续分析中主要考虑对。模进行调制。猌结构模型建立设计的石墨烯猌电光调制器结构如图示,蓝色部分为石墨烯覆盖区域。芯层波导宽度,包层材料为二氧化硅,石墨烯的参考臂和调制臂的芯层折射率为加入四层石墨烯的脊波导的。模式有效折射率,其余波导区域的芯层折射率为未加石墨烯的脊波导。,,设计的脊波导结构图甑ノ唬簄处,即一~图共ǖ冀峁故疽馔#:#:图共ǖ脊獬》植叫一图㎝—绻獾髦破鹘峁雇坐标单位:.
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仁蔓雾罟芑亏咿褂锶猌结构综合优化设计⋯波数,%,是波导模式有效折射率,2ㄊ赣隩轴,:屯淝ǖ记拾刖丁型波导弯曲角度、相位臂长度、输入输出直波导长度、芯层波导宽度、包层波导宽度等。采用电磁波一波束包络接口对猌电光调制器进行仿真时,电磁场方程的建立是以包络函数慢变、相位函数快变作为假设条件的,如式其中,0绾疚2ㄊ福N恢谩H绻鹝的取值合适,包络函数T诳占渖媳浠某ざ冉远大于波长。下面作一个合理的假设:在直波导区域,光波可以近似用人射模式的传播常数口来描述,然而在弯曲波导处,光波矢如式荆卢籎暑·萝·其中,口一是。·门州为模式传播常数,志。是真空中的的夹角,吐芊直鹞獄和较蛏系牡ノ幌蛄俊由上面的分析得到波矢差:一卢ぁ鞑参考实例及实际情况,设置8萆厦娴墓系式,得到蛓方向上的最大网格单元尺寸:两臂相位差为丌,发生干涉相消,则输出光强最小,对应信号“薄参考技术文档可知,在对猌调整器结构进行优化时,优化目标为使干涉相长点的透过率最大,依次对屯淝ǖ记拾刖逗褪淙输出直波导长度进行扫描。首先对屯淝ǖ记拾刖秗。进行扫描,扫杓涓粑杞峁图尽?梢钥闯觯诟缮嫦喑さ愦Γ腹蔜随屯淝ǖ记拾刖兜脑龃笄郾浠谇半径为“处取到最大值。从上文对各个结构参数的分析可以看出,弯曲波导曲率半径、相位臂长度和输入输出直波导长度等参数均对猌电光调制器的性能有影响,在优化方案的设计中主要结合调制器工作点对这些参数进行扫描,从而优化调制器性能。优化方案设计在分析嵌入四层石墨烯对。模有效折射率的影响时已得出,当化学势口。一时,对应。模有效折射率的实部值最大;当口。一时,对应。模有效折射率的实部值最小,同时虚部绝对值最小,即传输损耗最小。因此,首先使两臂化学势均为,此时两臂相位差为⑸涉相长,同时损耗最小,则输出光强最大,对应信号“保蝗缓笫共慰急刍票3治.,调制臂化学势调整为,设置相位臂长度为#耸然后对输入输出直波导长度缃猩瑁化目标以使上下两臂的功率差最小。在扫描之前定义两个线积分,积分范围分别为参考臂和调制臂直波导的末端。然后进行局部变量定义:其中,硐呋郑琫畁为时均功率流《半导体光电年碌淼期示:/.描范围为屯淝ǖ贾泄獬⊥坐标单位:【周勇等:基于蚘分支波导的石墨烯獄电光调制器设计一恰げ图透过率丁随屯淝ǖ记拾刖秗。,,,●
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一筹·,嚼㈣最后根据相位臂长度公式币晃姿猓阅苤副暧呕杓出,单位为疘。输入输出直波导长度!5纳璺段~肛杓涓粑牲杞峁缤所示。可以看出,在干涉相长点处,两臂功率差随输入输出直波导长度的增大发生曲折变化,除了一个极值点,其余变化范围很小,在保证功率差最小的前提下,输入输出直波导长度应当取为最小,以减小尺寸。因此设置输入输出直波导长度!R肚杂α奖勰端功率差为%嵌入四层石墨烯的有效折射率差的最大值耍贸鯨。,参考臂和调制臂的化学势均取为时对应的光场分布如图荆杂ν过率为由图梢钥闯觯谑涑鯵分支波导处发生了相干相长,导致输出端光场很强,实现了信号“钡保持上述结构和参考臂的化学势变,设置调制臂的化学势为,得到干涉相消点对应的光场分布,如图荆杂ν腹饰。从图梢钥闯觯谑涑鯵分支波导处发生了相干相消,导致输出端光场很弱,实现了信号为了说明图械牡屯腹饰8缮嫦嘞慕果,而非石墨烯的吸收所导致,补充对照组进行验证。设置两臂的有效折射率的实部分别为卢。。一对应的有效折射率的实部,参考臂和调制臂的虚部均为玫焦獬》植既图所示,对应透过率为由图可知,当石墨烯的吸收损耗为保过率的值仍然较小,虽然相比吸收损耗不为那况,透过率的值有所上升,但上升幅度不是很大,因此可以说明干涉相消是导致透过率下降的主要原因,石墨烯的吸收损耗对透过率的影响较小。由石墨烯电光调制器性能指标的分析可以看出,电光调制器的主要性能指标包括调制带宽和消光比,下面对这些指标进行详细计算和优化。带宽计算与优化以上述参数构建的猌电光调制器的等效电路模型如图所示。调制器的等效电容包括两部分:石墨烯层量子电容和石墨烯与金属电极和中间介质形成的平行平板电容痹俑莸缛莸拇⒘9叵导扑愕玫电光调制器的等效总电容。石墨烯层的量子电容∞缡所示:,争仿真结果分析调制。不“钡髦啤和口。。一晕面。/图两臂功率差随输入输出直波导长度的变化规律一豰。图缮嫦喑さ愎獬》植纪坐标单位:图缮嫦嘞愎獬》植纪坐标单位:图干涉相消点光场分布图甑ノ唬簃≥。.
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9愠锫筹甓几黄稀欢㈦里其中,,费米速度≈×【鲇谑┑姆米能级,即化学势。调制臂对应的化学势,计算得到。一徊慰急鄱杂Φ化学势阂.,计算得到:一由嵌入石墨烯波导结构的电容模型可以得到平行平板电容取决于介质的相对介电常数!⑹┎的面积⒓涓舨愫穸萪。由前述分析可知,￡。一,,相位臂长度R墨烯层的面积如式荆因此,可以得到平行平板电容为:弧辍!辏琒/根据图中的电容串并联关系,得到总的等效电容如式荆进而计算得到总等效电容!"胍×由于石墨烯层的电阻率很小,因此在实际计算中一般忽略石墨烯自身电阻#豢悸鞘┖徒属电极接触产生的接触电阻!J┑绻獾髦器的接触电阻R话闳∥ざ莔诒旧计中,猌电光调制器石墨烯覆盖长度N癿。总的等效电阻如式荆扑愕将总等效电阻妥艿刃У缛軨。。洲的值代入带宽公式,计算得到带宽约为由上述分析可知,减小石墨烯覆盖长度、降低石墨烯与金属电极的接触电阻、减小电容等方法可使调制器的电学带宽进一步增大。消光比计算与优化首先研究屯淝ǖ记拾刖抖酝腹实挠响,采用中的优化方案,在固定其他参数的情况下,对曲率半径=猩瑁璺段~“杓涓粑/,,如图尽利用计算并绘制消光比的变化规律,如图尽由图梢钥闯觯孀臩型弯曲波导曲率半径的增大,透过率的极大值变化平缓,极小值发生曲折变化。由图梢钥闯觯孀臩型弯曲波导曲率半径的增大,消光比的值发生曲折变化。当曲率半径,一。一肚保獗热〉阶畲笾然后研究输入输出直波导长度对透过率的影响,在固定其他参数的情况下,对直波导长度缃行扫描,扫描范围为得到干涉相长点和干涉相消点的透过率和消光比数痵,。痬,.,如图所示。《半导体光电年碌淼期周勇等:基于蚘分支波导的石墨烯猌电光调制器设计图猌电光调制器等效电路模型狶。。趔爨锝蝌泉瓣消光比随曲率半径变化曲线图透过率和消光比随曲率半径的变化关系。×.癋。.捌丑/,脚
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姗里粪崧由图梢钥闯觯孀攀淙胧涑鲋辈ǖ汲度的增大,透过率的极大值基本保持不变,极小值发生曲折变化。由图梢钥闯觯孀攀淙胧涑直波导长度的增大,消光比的值发生曲折变化。当输入输出直波导长度!豰时,,对。模进行调制。用有效折射率的取值代表脊波导结构和石墨烯对光场的影响,采用种淝ǖ迹档土送淝鸷摹通过分析种Рǖ记拾刖丁⑾辔槐鄢ざ取⑿静间距和输入输出直波导长度等结构参数对调制器的影响,利用参数化扫描的方式对这些参数进行优化,在此基础上对电光调制器的性能指标进行了计算和优化,最终设计出了带宽为⑾。参考文献:作者简介:周勇,男,四川广安人,博士研究生,主要研究方向为集成光学器件和光通信;陆荣国,男,博士,副教授,主要从事集成光学器件理论与技术的研究。丸/消光比随直波导长度变化曲线图透过率和消光比随直波导长度的变化关系趔辎瓣嘲透过率极值随直波导长度变化曲线西。/。钪怯拢旌疲希,,,:.甃&衔篮欤跸蓿豆阄埃龋谑┑墓獾髦破餮芯拷展嗌酱笱аПǎ:.,,:嗍叵埽疾ü:北方交通大学出版瓸:颂饧殉Γ煺嬲妫龋焱獠ǘ喂杌┑绻獾制器研究进展萍嫉急ǎ.,—畃疧.://..痬///癯抗猓旎哿胖居拢龋┑,甈,,:·甆捌甇·琓社,.,畓..,.,,:.,,,—甌,.琓..,,:。。,...猤·,,:..甿,:琗琙琫琍.,,—,