基于电致折射率变化的石墨烯电光强度调制器基础研究

Integrated optical modulators with high modulation speed,high extinction ratio and large optical bandwidth are key device for optical communication.Finding a complementary metal-oxide -semiconductor(CMOS)-compatible material with adequate modulation speed and strength has therefore become a task of not only scientific interest, but also industrial importance.Here we demonstrate a broadband,high extinction ratio ,waveguide integrated electro-optic intensity modulator based on A-B stacked bilayer graphene(BLG). By electrically tuning the second order nonlinear optical coefficient of the graphene sheet, we demonstrate modulation of the guided light in the modulator with the Mach- Zehnder(M-Z) waveguide structure and traveling wave electrode.The modulator has greater bandwidth and higher extinction ratio comparable to the electroabsorption modulator based on graphene.The research will reveal the mechanism of the interaction between microwave and lightwave in the graphene, explore the mechanism of generation of tunable ultra-high second-order nonlinear optical coefficient in the A-B stacked bilayer graphene under the applied electric field， solve the key technology in the device design, the preparation process, and the performance testing,verify the proposed theoretical model with related experiments. The research involves multiple disciplines ,including materials science, optoelectronics and so on, the research areas have great potential, therefore it is valuable for both academic and application areas.

调制速度高、消光比高、调制带宽大的集成光波导调制器是光通信的关键器件。找到一种具有足够光调制速度和强度，又能与氧化物金属半导体互补相兼容的材料，成为目前学术界的研究热点，同时在产业界也具有重要意义和巨大需求。本项目提出一种基于A-B堆垛的双层石墨烯的宽带、高消光比的集成光波导电光强度调制器。该调制器采用马赫-曾德尔脊形波导结构，电极采用行波电极，通过外加电场改变石墨烯的二阶非线性光学系数来实现调制。和石墨烯电吸收调制器相比，该调制器具有更大的调制带宽和更高的消光比。项目研究目标是揭示石墨烯中微波与光波相互作用的机理，探索A-B堆垛的双层石墨烯在外加电场作用下可调超高二阶非线性光学系数的产生机理，解决器件设计、制备工艺和性能测试中的关键技术，完成相关实验验证所提理论模型。项目涉及材料学、光电子学等多个学科，项目研究领域极具发展潜力，因此在学术上和应用上都极具价值。

调制速度高、消光比高、调制带宽大的集成光波导调制器是光通信的关键器件。石墨烯是一种具有足够光调制速度，又能与氧化物金属半导体互补相兼容的材料。因此，石墨烯光调制器成为目前学术界的研究热点，同时在产业界也具有重要意义和巨大需求。项目主要完成了以下工作：1、设计了一种新型石墨烯电吸收调制器，经过仿真计算该调制器的消光比可达34 dB，3 dB 带宽可达100GHz，能耗为17.6 fJ/bit。2、提出了一种基于平面光波导石墨烯高速相位光调制器，仿真结果显示，此波导结构对TE模具有较好的相位调制功能，该结构光调制器只需要75.6µm长度即可实现π相位的改变量，3dB调制带宽可高达119.5 GHz，功耗只有0.452 pJ/bit。3、提出了一种基于石墨烯-D型光纤吸收型光调制器，仿真结果显示该调制器的消光比可达17.8 dB，3 dB 带宽可达97.26GHz，能耗为24.3 fJ/bit。4、提出了一种基于石墨烯的偏振无关吸收型光调制器结构，仿真计算结果表明，30μm长的调制区域，波长在1.45μm~1.65μm范围变化，对TE、TM模都能实现高于20dB的消光比， TE和TM的消光比差值小于2.3dB，在“ON”状态下，其偏振相关度小于0.1dB，而其3dB调制带宽可高达139.6GHz。5、提出了一种基于石墨烯-硫系玻璃平面波导型近中红外光调制器，仿真计算结果表明，在入射光波长分别为1.55μm、2μm、2.5μm、3μm时，400μm长度的石墨烯-硫系玻璃光调制器可实现的消光比分别大于30dB、30dB、26dB、11.3dB，3dB调制带宽可高达122GHz。6、调制器行波电极的优化设计、制备与测试。7、对石墨烯调制器的制备工艺进行了初步探索。