本發(fā)明屬于通信用硅基領(lǐng)域，特別涉及全光超快調(diào)制器范圍。

背景技術(shù)：

光調(diào)制器是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其主要原理就是通過對載波操作，將調(diào)制信號摻入載波的幅度、相位或偏振等性質(zhì)，實現(xiàn)信號加載。

目前主要有全光調(diào)制和電光調(diào)制兩種光調(diào)制手段。使用電光調(diào)制器最主要的問題是電子瓶頸會限制調(diào)制速度，目前最快的電光調(diào)制速度也只在百ghz左右，調(diào)制速度超過ghz量級的電光調(diào)制器制作難度大，價格昂貴。全光調(diào)制可以在硅或者其他光波導(dǎo)中進行，可以在簡單的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高速、寬帶寬、低損耗的信號調(diào)制。

已有的調(diào)制器都采用單點調(diào)制的方式，具有一些難以克服的缺陷。首先，隨著高速光通信的發(fā)展，需要高調(diào)制速率的調(diào)制器與之相適應(yīng)，相應(yīng)的就需要高速的調(diào)制信號，而產(chǎn)生超快電信號的高速電路是難于制作，并且價格昂貴。其次，調(diào)制器中電光材料對于電信號的響應(yīng)速度有限，例如硅的響應(yīng)速度在70ghz基本達到極限，就會導(dǎo)致在超快電光調(diào)制過程中電光材料對光載波的作用速度無法與調(diào)制電信號匹配的問題，難以實現(xiàn)高速調(diào)制。最后，在高速調(diào)制的系統(tǒng)中，受制于“電子瓶頸”，高速電信號在線路及系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的能耗非常大，同時信號速度高時電路系統(tǒng)內(nèi)部散熱也會增加，從而影響系統(tǒng)性能，也增加了溫控的難度和能耗。

時分復(fù)用是產(chǎn)生高速信號的一種有效辦法。原理就是將低速的數(shù)據(jù)流利用時間上插空的方法經(jīng)過多級復(fù)用后變?yōu)楦咚俚臄?shù)據(jù)流。但是采用光時分復(fù)用器也存在一些難以避免的缺陷：首先，為了得到高速的信號，需要進行多級復(fù)用組合，會造成系統(tǒng)體積較大不利于集成的問題；其次，復(fù)用過程中各路光信號要進行多次耦合，因而會產(chǎn)生較大的耦合損耗；最后，多級復(fù)用分布體積大，易受環(huán)境中溫度和振動不均勻分布的影響，難于補償和控制；此外，時分復(fù)用產(chǎn)生高速信號的方法僅限于幅度調(diào)制，當(dāng)采用相位或偏振等調(diào)制方式時，各路信號在疊加時會出現(xiàn)相干現(xiàn)象，所以時分復(fù)用產(chǎn)生高速信號的方法具有較大的局限性。

目前，科研人員已經(jīng)提出了很多電光調(diào)制器的實現(xiàn)方案，主要有鈮酸鋰調(diào)制器、基于ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器、聚合物調(diào)制器。最常見的就是鈮酸鋰馬赫增德爾調(diào)制器，這類調(diào)制器插入損耗較小，對波長、溫度等因素不敏感，調(diào)制帶寬也可以達到100ghz,但鈮酸鋰調(diào)制器半波電壓較大，實現(xiàn)較大的帶寬是要以較高的半波電壓為代價的?；冖?ⅴ族材料的電吸收調(diào)制器具有較低的半波電壓和驅(qū)動電壓，且尺寸較小，調(diào)制效率較高，但是由于電吸收效應(yīng)的強度調(diào)制也會造成折射率實部的變化，也就是電吸收效應(yīng)會引起相位調(diào)制，形成啁啾現(xiàn)象，易造成信號失真。聚合物調(diào)制器是根據(jù)線性電光效應(yīng)的原理進行工作的，具有很高的潛在調(diào)制帶寬，一般的聚合物調(diào)制器的設(shè)計是基于m-z結(jié)構(gòu)的，所以研究的重點主要在于材料本身，進一步提高聚合物材料的電光效應(yīng)，有望實現(xiàn)更低的半波電壓。但是聚合物調(diào)制器受溫度和光功率的影響較大，材料本身不夠穩(wěn)定，一般來說聚合物調(diào)制器的插入損耗也是較大的。

硅基調(diào)制器在材料上具有成本低、高折射率和非線性系數(shù)等優(yōu)勢，從制作工藝上兼容成熟的cmos工藝利于光電集成，近年來發(fā)展突飛猛進，調(diào)制速度可以達到幾十ghz。硅基高速電光調(diào)制器不僅是未來光交叉互連(oxc)和光分插復(fù)用(oadm)系統(tǒng)中的核心器件，而且在芯片光互聯(lián)和光計算技術(shù)中也具有很大的應(yīng)用前景。因此，開展硅基高速電光調(diào)制器的研究意義重大。

石墨烯具有獨特的光學(xué)和電學(xué)特性，例如石墨烯的飽和吸收特性和超快載流子躍遷和弛豫過程?；谑╋柡臀盏娜庹{(diào)制繞開電子瓶頸，可以實現(xiàn)超快的調(diào)制速率(實驗演示200ghz，理論分析500ghz)。通過經(jīng)過石墨烯的高頻高功率泵浦光來控制石墨烯對經(jīng)過其的低頻信號光的吸收，從而實現(xiàn)對載波的全光幅度調(diào)制，同時石墨烯超快的載流子弛豫速度使得這種調(diào)制的速度可以非?？?。超寬波長調(diào)制范圍，大調(diào)制深度，低功耗和高面積效率也是石墨烯給予全光調(diào)制的優(yōu)點。將硅作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合又會使調(diào)制器借助硅波導(dǎo)的優(yōu)點達到更高的性能，石墨烯可以使調(diào)制器獲得高的調(diào)制速率，而且采用具有高折射率差的soi基底，其制作工藝與目前已經(jīng)發(fā)展非常成熟的cmos工藝相兼容，利于大規(guī)模的集成和開發(fā)。

需要注意的是，目前的調(diào)制器都是采用空間上單點調(diào)制的方式，無法充分滿足當(dāng)前高速光通信系統(tǒng)對于調(diào)制速度的需要。將高重復(fù)頻率的調(diào)制信號在空間上拆解為很多低重復(fù)頻率的調(diào)制信號，在光波導(dǎo)的不同位置同時加載，對載波的不同空間部分進行同時調(diào)制同樣可以得到高速調(diào)制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱為空間調(diào)制。這種空間調(diào)制的方式既解決了高速電路難以制作和成本昂貴的問題，也避免了光電材料響應(yīng)速度無法跟上電信號變化速度的問題以及高速電信號導(dǎo)致的系統(tǒng)損耗過高的問題。同時相對于光時分復(fù)用產(chǎn)生高速信號的辦法，采用硅基空間調(diào)制的方式器件尺寸可以較小，耦合損耗大、受環(huán)境影響大以及對于幅度調(diào)制的局限性等缺點均得以改善。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了基于石墨烯的硅基光空間超快調(diào)制器，旨在實現(xiàn)全光域內(nèi)信息的靈活和超快調(diào)制。

本發(fā)明基本原理：

硅波導(dǎo)厚度較薄時，表面會產(chǎn)生較強倏逝場，將載波擴散到石墨烯層進行調(diào)制。調(diào)制信號以變化的泵浦光空間圖樣的形式存在，利用石墨烯的飽和吸收特性調(diào)整石墨烯對載波的吸收，通過改變空間光圖樣可以簡單靈活地控制調(diào)制信號。圖樣泵浦光使石墨烯的吸收特性在沿硅波導(dǎo)軸向形成相同圖樣的分布，對載波進行可調(diào)的多位置吸收(吸收位置為0信號，不吸收位置為1信號)。石墨烯超短的載流子弛豫時間使單個吸收位置的空間寬度可以很窄同時不犧牲調(diào)制深度，因此細密的光空間圖樣可以產(chǎn)生超高密度的已調(diào)信號，同時減小了器件整體尺寸。利用大尺寸的光空間圖樣可以實現(xiàn)同一時間點加載大量信息來降低所需的空間光圖樣的變化速度，從而以很低的調(diào)制速度實現(xiàn)超高密度的信號調(diào)制，達到超快調(diào)制的效果。

本發(fā)明具體物理實現(xiàn)方式：該調(diào)制器包括硅波導(dǎo)1、石墨烯層2、sio2平板基底3、空間泵浦光圖樣4(圖1)。組合方式為：硅波導(dǎo)1以盤繞結(jié)構(gòu)生長于sio2平板基底3之上，石墨烯層2置于硅波導(dǎo)1的表面之上，包含調(diào)制信號的空間泵浦光圖樣4照射石墨烯層2。石墨烯層2層數(shù)小于10?？臻g泵浦光圖樣4空間分辨率在百微米量級。

經(jīng)過上述設(shè)置，通過以較低頻率改變空間光圖樣的形狀，可以實現(xiàn)任意信號的高速調(diào)制。本發(fā)明具體有益效果：

(1)采用空間調(diào)制方式與泵浦光空間信息圖樣的信號形式相結(jié)合，大量信息可以在同一時刻加載，從而以很低的調(diào)制速度實現(xiàn)超高密度的信號調(diào)制，達到超快調(diào)制的效果。

(2)調(diào)制器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)易于制作，可以對各個低速調(diào)制點信號的組合進行精確控制。

(3)調(diào)制信號以空間光圖樣的形式存在的，通過調(diào)整光圖樣的形狀可以一次實現(xiàn)對各個信息加載點的調(diào)制，非常方便靈活。

(4)該調(diào)制器對使用環(huán)境不敏感

(5)全光調(diào)制，無需復(fù)雜的電極設(shè)計和制作，同時繞開電子瓶頸對調(diào)制速度的限制。

(6)石墨烯作為調(diào)制材料，具有超短響應(yīng)時間、超寬波長調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢。

(7)硅波導(dǎo)作為基本波導(dǎo)，與當(dāng)今成熟的微電子加工工藝相兼容，相比于傳統(tǒng)的基于光纖的調(diào)制器，更易于向器件的微型化和集成化趨勢靠近。

附圖說明

圖1基于石墨烯的硅基光空間超快調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2平板基底3平面區(qū)域劃分情況。

圖3實例一中的空間泵浦光圖樣在石墨烯層上的投射情況。

圖4實例一中泵浦光圖樣與滿光狀態(tài)隨時間切換情況。

圖5實例一中的超快調(diào)制效果。

圖6實例二中的空間泵浦光圖樣在石墨烯層上的投射情況。

圖7實例二中泵浦光圖樣與滿光狀態(tài)隨時間切換情況。

圖8實例二中的超快調(diào)制效果。

具體實施方式

實施例1：

該調(diào)制結(jié)構(gòu)包括硅波導(dǎo)1、石墨烯層2、sio2平板基底3、空間泵浦光圖樣4，如圖1。組合方式為：硅波導(dǎo)1以盤繞結(jié)構(gòu)生長于sio2平板基底3之上，石墨烯層2置于硅波導(dǎo)1的表面之上，包含調(diào)制信號的空間泵浦光圖樣4照射石墨烯層2。硅波導(dǎo)1的厚度250nm，寬度600nm，盤繞彎曲半徑為70um,將sio2平板基底3平面按照圖2進行區(qū)域劃分，使每個小區(qū)域內(nèi)的硅波導(dǎo)1部分長度均為600μm，整個平板基底1尺寸為7mm×1mm。所用石墨烯層2層數(shù)為1。載波從硅波導(dǎo)1一端通入，在另一端檢測輸出經(jīng)過調(diào)制的信號。將調(diào)制信號[000000……000000]以空間光圖樣4的形式表現(xiàn)，將空間泵浦光圖樣4投射在sio2平板基底1表面上，空間泵浦光圖樣以圖2中的劃分小區(qū)域為單元，使平板基底1表面產(chǎn)生如圖3的明暗分布，圖中黑格為無泵浦光位置，白格為泵浦光照射位置。將空間泵浦光圖樣4與滿光圖樣(sio2平板基底1表面全部被泵浦光照亮)周期性切換：2ps的空間泵浦光圖樣4與140ps的滿光圖樣交替出現(xiàn)(圖5)，可知控制頻率為7ghz。硅波導(dǎo)1輸出端可得到與調(diào)制信號[000000……000000]對應(yīng)的已調(diào)信號時間波形，如圖6，重復(fù)頻率為250ghz，即調(diào)制頻率。

實施例2：

該調(diào)制結(jié)構(gòu)包括硅波導(dǎo)1、石墨烯層2、sio2平板基底3、空間泵浦光圖樣4，如圖1。組合方式為：硅波導(dǎo)1以盤繞結(jié)構(gòu)生長于sio2平板基底3之上，石墨烯層2置于硅波導(dǎo)1的表面之上，包含調(diào)制信號的空間泵浦光圖樣4照射石墨烯層2。硅波導(dǎo)1的厚度150nm，寬度300nm，盤繞彎曲半徑為30um,將平板基底2平面按照圖2進行區(qū)域劃分，使每個小區(qū)域內(nèi)的微細光纖3部分長度均為120μm，整個平板基底1尺寸為1.4mm×0.2mm。所用石墨烯層2層數(shù)為5。載波從硅波導(dǎo)1一端通入，在另一端檢測輸出經(jīng)過調(diào)制的信號。將調(diào)制信號[010011000111010011000111……010011000111]以空間光圖樣4的形式表現(xiàn)，將空間泵浦光圖樣4投射在sio2平板基底3表面上，空間泵浦光圖樣以圖2中的劃分小區(qū)域為單元，使sio2平板基底3表面產(chǎn)生如圖4的明暗分布，圖中黑格為無泵浦光位置，白格為泵浦光照射位置。將空間泵浦光圖樣4與滿光圖樣(平板基底1表面全部被泵浦光照亮)周期性切換：0.4ps的空間泵浦光圖樣4與28ps的滿光圖樣交替出現(xiàn)(圖7)，可知控制頻率為35ghz。微細光纖3輸出端可得到與調(diào)制信號[010011000111010011000111……010011000111]對應(yīng)的已調(diào)信號時間波形，如圖8，重復(fù)頻率為1250ghz，即調(diào)制頻率。