1、02130011第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件潘万乐1，陈鹤鸣2，胡宇宸1（1 南京邮电大学 电子与光学工程学院，南京 210023）（2 南京邮电大学 贝尔英才学院，南京 210023）摘要：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
2、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 100 m13 m。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。关键词：石墨烯；纳米线波导；电光调制；模分复用；硅基光电子集成中图分类号：TN256 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02130010 引言互联网时代，光通信系统对于传输速度和传输容量的需求越来越高。用于光通信系统的电光调制器向着高速度方向发展。传统硅基电光调制器，响应速度较慢1-2。石墨烯具有优异的光电特性，并且与互补金属
3、氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺兼容，将石墨烯与硅材料结合，可以提高电光调制器的响应速度3。宽带宽、高消光比、低插入损耗、低能耗是石墨烯电光调制器的发展趋势4-8。另一方面，为了满足光通信的需要，模分复用（Mode Division Multiplexing，MDM）等复用技术用来增加通信容量，模分复用器是模分复用的关键器件。各种不同类型的模分复用器件被广泛研究，比如 Y 结型9、微环谐振腔型10、绝热耦合型11、微盘谐振腔型12。随着科技不断进步，光互联因其高速度、宽带宽、大容量的优点得到广泛关注，各种集成器件应运而
4、生13-16。JIA H 等17提出了一种用于片上光互连的模式选择调制器，该器件采用硅微环谐振腔和非对称定向耦合器结构，可以实现 TE0、TE1、TE2、TE3模的调制和模分复用功能，插入损耗小于 2.1 dB，信道串扰小于19.7 dB。WU X R等18提出了一种应用于模分复用系统的硅微环调制器，利用三个不同的微环调制器进行调制，然后通过模分复用器，三束信号光以TE0、TE1和TE2模的形式复用到多模波导，在波长1 551.523 nm处，信道串扰小于23.1 dB，调制器的 3 dB 带宽约为 17 GHz，但是该器件的插入损耗大于 10 dB。CHEN G Y等19提出了一种片上模分复
5、用光子互连系统，在调制和模分复用过程中均采用微环谐振腔结构，该器件的消光比大于36.5 dB，信道串扰小于30 dB，插入损耗小于4.1 dB，在3 V的电压下，3 dB带宽仅为36 GHz左右。本文提出一种三信道石墨烯电光调制和纳米线波导模分复用集成器件，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（Three-Dimensional Finite-Difference Time-Domain，3D-FDTD）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，且器件尺寸较小、消光比高、
6、信道串扰小、插入损耗低、带宽引用格式：PAN Wanle，CHEN Heming，HU Yuchen.Three-channel Integrated Device for Graphene Electro-optic Modulation and Mode Division Multiplexing J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0213001潘万乐，陈鹤鸣，胡宇宸.三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件 J.光子学报，2023，52（2）：0213001基金项目：国家自然科学基金（No.61571237），江苏省自然科学基金（No.BK2015150
7、9），江苏省研究生科研与实践创新计划项目（Nos.KYCX20_0740,KYCX20_0769）第一作者：潘万乐，通讯作者：陈鹤鸣，收稿日期：2022 09 22；录用日期：2022 11 10http:/光子学报02130012大，性能优良。1 理论模型和工作原理1.1理论模型电光调制器的理论模型如图 1所示，该模型采用谐振腔与波导侧耦合结构。在图 1中，S+1和 S+2表示输入波幅值，S-1和 S-2表示输出波幅值，1和2表示衰减系数。在调制器的“断”状态下，即入射光全部反射回入射端口。假设谐振腔的谐振频率为0，谐振腔的谐振模振幅为a。令1=2=，其时域耦合模方程如下。谐振腔的谐振模振幅
8、的时域变化可以表示为20dadt=-i0a-2a+2(S+1+S+2)（1）由于输入光的谐振频率不变，即a(t)=exp(-it)，所以da dt=-ia21。当输入光只有 S+1（S+2=0）时，可得a=2i()0-+2S+1（2）输入波和输出波幅值之间的关系为S-1=S+1-2 a（3）于是得到端口 2的下行效率D()为D()=|S-1S+1|2=|i()0-i()0-+2|2（4）同理可以计算端口 1的反射效率R()。S-2=S+2-2 a（5）R()=|S-2S+1|2=|2i()0-+2|2（6）图 2 为端口 1 和端口 2 的理论透射谱图。当=0时，下行效率为 0，而反射效率为
9、100%。也就是谐图 1电光调制器的理论模型Fig.1Theoretical model of electro-optic modulator图 2理论模型透射谱Fig.2Transmission spectrum of the theoretical model潘万乐，等：三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件02130013振频率为的入射光被谐振腔全部反射回入射端口，调制器处于“断”状态。1.2工作原理电光调制和模分复用集成器件的工作原理如图 3所示，A0、A1和 A2是三个石墨烯电光调制器模块，B 是纳米线波导 MDM 模块。在 A0模块中，波长为 的 TE0模从右侧端口输入。当加上一定
10、的驱动电压，使入射光的谐振波长与微腔的谐振波长相同，入射光被局域在微腔中，不能继续传输，实现调制器的“断”状态；当无外加电压时，入射光不与微腔耦合，可以沿着波导传输，实现调制器的“通”状态。A1和 A2模块的工作原理与 A0模块相同。调制后的入射光分别进入 MDM 模块的三个端口，A0模块的入射光进入多模波导，经过相位匹配区 1和相位匹配区 2光波不会发生模式转换，仍以 TE0模的形式从左侧端口输出。在相位匹配区 1，A1模块的入射光由 TE0模转换为 TE1模，并耦合至多模波导以 TE1模的形式从左侧端口输出。在相位匹配区 2，A2模块的入射光由 TE0模转换为 TE2模，并耦合至多模波导以
11、 TE2模的形式从左侧端口输出。这样，从三个端口输入的 TE0模在 MDM 模块的同一端口输出，实现了调制和模分复用的功能。2 结构设计与性能分析三信道石墨烯电光调制和纳米线波导模分复用集成器件的三维结构如图 4所示。该结构衬底为硅（折射率 3.47），厚度约为 2.5 m；包层为二氧化硅（折射率 1.44），厚度约为 3 m，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。以下分别对石墨烯电光调制器和纳米线波导模分复用器进行单独的结构设计。2.1石墨烯电光调制器的结构设计本文提出的石墨烯电光调制器，其三维结构如图 5（a）所示。该调制器采用纳米线波导与一维光子
12、晶体纳米梁腔侧耦合结构。微腔中间位置处，纳米线波导采用弯曲波导结构，微腔与波导的间距为 g1=210 nm，可以实现微腔与波导的高效耦合；微腔两端部分，纳米线波导采用直波导结构，微腔与波导的间距为 g2=图 3电光调制和模分复用集成器件的工作原理Fig.3Working principle of electro-optic modulation and MDM integrated device图 4电光调制和模分复用集成器件的三维结构图Fig.4Three-dimensional schematic diagram of electro-optic modulation and MDM in
13、tegrated device光子学报02130014560 nm。图 5（a）微腔中心位置红色虚线处剖面的三维结构侧视图如图 5（b）所示，纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的宽度均为 550 nm，厚度为 200 nm。纳米梁腔左侧是厚度为 15 nm的硅板，相当于调制器的 n型掺杂区域。在硅板的部分区域和微腔顶部覆盖一层 Al2O3，厚度为 7 nm。单层石墨烯材料添加在 Al2O3顶部。石墨烯上的电极作为阳极，硅板上的电极作为阴极。一维光子晶体纳米梁腔的二维平面图如图 5（c）所示。所有的圆孔沿 x 轴方向排列，晶格常数为 a=350 nm。圆孔内用二氧化硅填充。微腔两侧表示的是布拉格反
14、射镜，圆孔的半径为 r1=103 nm；中间表示的是光子晶体微腔区域，圆孔的半径由两侧的 105 nm 增加至中间的 114 nm。微腔中间两个圆孔（黑色标记）的半径为 r2=112 nm，目的是使得微腔的谐振波长与目标波长（1 570 nm）失配，实现调制器的“通”状态。材料的等效折射率 neff随电压的变化如图 6（a）所示。随着电压的增大，neff不断增大。当电压为 8 V 时，neff最大变化为 0.005 5，比传统光学调制器 neff高一个数量级22-23。利用 Lumerical 对该调制器进行 3D-FDTD 仿真。将宽光谱的 TE0模光源放置在端口 A，在端口 B 放置探测器
15、，得到不同电压下的透射谱如图 6（b）所示。在 1 570 nm 波长下，当电压 U=0 V 时，透过率为 98.5%，调制器为“通”状态；当电压 U=3.8 V时，透过率为 0.56%，调制器为“断”状态，此时材料等效折射率的变化为 0.002 3。插入损耗为 0.07 dB，消光比为 22.5 dB。调制器的 3 dB带宽是衡量调制器性能优劣的重要参数，其公式表示为f3 dB=12RC（7）式中，R为器件的电阻，大小约为 20 24。C为石墨烯的电容，可以表示为C=0dAd（8）图 5电光调制器结构Fig.5Structural diagrams of electro-optic modu
16、lator潘万乐，等：三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件02130015式中，0为真空介电常数；d为 Al2O3的相对介电常数，d=9.34；A 为单层石墨烯的面积，约为 6 m2；d 为Al2O3的厚度，d=7 nm。代入式（8）可以计算出电容 C 约为 70 fF。最后，得到调制器的 3 dB 带宽约为114 GHz。调制器的能耗（E=C U2/4）5约为 0.25 pJ/bit。利用 Lumerical 仿真得到调制器的 3 dB 带宽如图 7所示，其大小约为 100 GHz。计算得到的 3 dB带宽与仿真相比有一定误差，主要原因是器件的电阻 R为估计值，导致计算结果有一定偏差。利用 Lumerical对石墨烯电光调制器进行 3D-FDTD 仿真，需要考虑工艺误差对器件性能的影响。图 8为插入损耗和（谐振波长与目标波长的差值）随圆孔半径的变化关系。在图 8（a）中，随着布拉格反射镜中图 6等效折射率的变化和透射谱Fig.6The change in effective index and transmission spectrum图 7调制器的 3 dB带宽Fig.73 dB
