本發(fā)明屬于通信用硅基器件領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)超高速信號(hào)發(fā)生器范圍。

背景技術(shù)：

光信號(hào)發(fā)生器是光通信系統(tǒng)中極其重要的一部分，光信號(hào)發(fā)生器的性能直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，光信號(hào)發(fā)生器也稱光信號(hào)源，用以產(chǎn)生光脈沖序列信號(hào)，提供使用者需要的穩(wěn)定、可信的參考信號(hào)。

近年來隨著高速光通信系統(tǒng)迅速發(fā)展，迫切要求高速光信號(hào)發(fā)生器與之適應(yīng)?，F(xiàn)有的產(chǎn)生超高速光信號(hào)的方法都要依賴于超短脈沖光源，光脈沖的寬度和重復(fù)頻率決定了系統(tǒng)最大復(fù)用速率。鎖模光纖激光器采用諧波鎖模時(shí)穩(wěn)定性差，采用閉環(huán)誤差信號(hào)反饋控制腔長的方法，可以實(shí)現(xiàn)光纖鎖模激光器的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，但器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜；多量子阱混合鎖模半導(dǎo)體激光器芯片成品率極低、需要昂貴的半導(dǎo)體加工設(shè)備、器件壽命不如鎖模光纖激光器，且目前價(jià)格過高。為了提供足夠的時(shí)延，現(xiàn)有的otdm復(fù)用器的每個(gè)臂上采用長光纖，消除干涉現(xiàn)象造成的時(shí)延擾動(dòng)，但是環(huán)境溫度變化會(huì)改變延時(shí)特性，該種設(shè)計(jì)不具有長期的穩(wěn)定性。而全偏振光時(shí)分復(fù)用價(jià)格昂貴，需要配備可變時(shí)延線、可變衰減器和偏振控制器等裝置，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。另外，這種分臂結(jié)構(gòu)的延時(shí)器對于制作有很高的精度要求，不易實(shí)現(xiàn)，而且對外界環(huán)境的擾動(dòng)也十分敏感。

采用基于連續(xù)光源更快響應(yīng)時(shí)間的級聯(lián)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)是簡易廉價(jià)產(chǎn)生高穩(wěn)定超高速信號(hào)的更佳手段。石墨烯是由碳原子以sp²雜化軌道組成正六邊形呈蜂窩狀晶格的二位氮原子層平面晶體薄膜，狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)使其具有各種奇特和突出的光電性能(飽和吸收和超快載流子躍遷和弛豫過程等)?；谶@些特性的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明電極和導(dǎo)電薄膜已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)演示或商品化。其中，基于石墨烯的光調(diào)制器在調(diào)制速度方面展現(xiàn)了其他材料調(diào)制器無法比擬的優(yōu)勢，同時(shí)也兼顧集成性、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬和功耗等方面的考慮。自2011年加州大學(xué)伯克利分校的劉明等人首次實(shí)現(xiàn)石墨烯電光調(diào)制以來，大量石墨烯電光調(diào)制器的仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)被報(bào)道，是目前基于石墨烯調(diào)制研究的主要方向。繼劉明等人提出條形結(jié)構(gòu)石墨烯電光調(diào)器后，grigorenkoan和新加坡國立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)于2012年分別提出了馬赫增德結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的石墨烯電光調(diào)制器，構(gòu)成了目前三種主要的電光石墨烯調(diào)制結(jié)構(gòu)。條形波導(dǎo)依靠電調(diào)吸收實(shí)現(xiàn)調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單，兼容cmos工藝，但插入損耗和器件能耗大，需要克服電極部分的材料電阻的問題。馬赫增德結(jié)構(gòu)依靠pockets效應(yīng)電壓調(diào)節(jié)材料的折射率，雙臂干涉調(diào)整輸出光功率，光學(xué)帶寬大，溫度容差高。環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)電調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)諧振效果，具有較大的消光比和較小的器件尺寸。這些結(jié)構(gòu)通過電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級來改變對光的吸收特性從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，在調(diào)制速率(仿真計(jì)算)、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬、面積效率和功耗等方面都展示了非常優(yōu)良的性能。

硅基信號(hào)發(fā)生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，從制作工藝上兼容于成熟的cmos工藝，利于光電集成，利用硅基設(shè)計(jì)的調(diào)制器其調(diào)制速度可以達(dá)到幾十ghz，這對硅基信號(hào)發(fā)生器同時(shí)也具有很大的意義。硅基高速信號(hào)電光信號(hào)發(fā)生器不僅是未來光交叉互聯(lián)(oxc)和光分復(fù)用(oadm)系統(tǒng)中的核心器件，而且在芯片光互連和光計(jì)算技術(shù)中也具有極大的應(yīng)用前景。因此，開展硅基高速光電信號(hào)發(fā)生器的研究意義重大。

需要注意的是，目前的信號(hào)發(fā)生器都是采用空間上單點(diǎn)的信號(hào)加載，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)頻率的加載信號(hào)在空間上拆解為很多低重復(fù)頻率的加載信號(hào)，在光波導(dǎo)的不同位置同時(shí)加載，對載波的不同空間部分進(jìn)行同時(shí)調(diào)制同樣可以得到高速產(chǎn)生光脈沖序列的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，成為空間調(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(hào)變化速度的問題以及高速電信號(hào)導(dǎo)致的系統(tǒng)損耗過高的問題。同時(shí)相對于光時(shí)分復(fù)用產(chǎn)生高速信號(hào)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、受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)均得以改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了基于石墨烯柵層硅波導(dǎo)的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，旨在超高速地產(chǎn)生光脈沖序列信號(hào)。

本發(fā)明的原理：硅波導(dǎo)厚度較薄時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的倏逝場，載波經(jīng)表面倏逝場效果擴(kuò)散至石墨烯柵層中接受調(diào)制。加在器件結(jié)構(gòu)兩端的周期性排列的正負(fù)電極對分別向石墨烯柵層中對應(yīng)石墨烯單元同時(shí)施加電壓，同時(shí)改變石墨烯層單元的費(fèi)米能級，從而調(diào)節(jié)其對所在空間位置載波的吸收能力。吸收的位置無脈沖，不吸收的位置有脈沖。由于石墨烯層的周期性吸收并且石墨烯具有極短的響應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生的脈沖序列具有超高重復(fù)頻率和超窄脈寬的特性。硅波導(dǎo)軸向方向大尺寸的石墨烯柵層可以同一時(shí)間點(diǎn)加載光脈沖信號(hào)，降低了所需的電極陣列所加電壓的變化速度，從而以很低的控制速度實(shí)現(xiàn)光脈沖序列信號(hào)的超高速產(chǎn)生。隨著石墨烯層單元的增加，所加電壓的變化速度可以無限減小，更大程度地實(shí)現(xiàn)從極低速電信號(hào)到超高速光信號(hào)的轉(zhuǎn)化。

本發(fā)明的具體物理實(shí)現(xiàn)方式：該超高速電光信號(hào)發(fā)生器包括sio2平板基底1、al2o3層2、鉑層3、導(dǎo)光硅波導(dǎo)4、連接硅波導(dǎo)5、石墨烯柵層6、正電極7、負(fù)電極8。具體組合方式為：正電極7和負(fù)電極8周期性排列至基底表面兩端，主硅波導(dǎo)4覆于sio2平板基底1之上靠中間位置，表面硅波導(dǎo)5同樣置于sio2平板基底1之上，一端連接導(dǎo)光硅波導(dǎo)4，另一端連接負(fù)電極8。al2o3層2覆于導(dǎo)光硅波導(dǎo)4、連接硅波導(dǎo)5和sio2平板基底1表面之上。石墨烯柵層6覆于導(dǎo)光硅波導(dǎo)4和無連接硅波導(dǎo)5這一側(cè)的al2o3層2上直到連至正電極7。鉑層3覆于石墨烯柵層6之上，且一端連接至正電極7，另一端離導(dǎo)光硅波導(dǎo)4的距離大于500nm。al2o3層的厚度7nm。鉑層3的厚度10nm。石墨烯柵層結(jié)構(gòu)周期長度大于1.2mm。

經(jīng)過上述設(shè)置，通過以較低頻率調(diào)節(jié)正電極與負(fù)電極的電壓差產(chǎn)生電信號(hào)，產(chǎn)生超高速光信號(hào)，通過改變一個(gè)周期內(nèi)無電壓的時(shí)間長度可以控制脈沖寬度。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)用空間調(diào)制的方式，以很低的電信號(hào)變化速度產(chǎn)生了超高速的光信號(hào)。

(2)石墨烯的周期性結(jié)構(gòu)可通過激光刻寫的方法易于精細(xì)制作，可以精確控制相鄰脈沖間的間距。

(3)該調(diào)制器對使用環(huán)境不敏感，對溫度和振動(dòng)等外界因素都有很高的適應(yīng)性。

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

(5)硅基集成光波導(dǎo)的制作與當(dāng)今成熟而先進(jìn)的微電子加工工藝相兼容，相比于傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器，更易于向器件的微型化和集成化趨勢靠近。

(6)該器件尺寸非常小，極有利于集成的考慮。

附圖說明

圖1基于石墨烯柵層硅波導(dǎo)的超高速電光信號(hào)發(fā)生器。

圖2實(shí)例一中的電壓變化情況。

圖3實(shí)例二中的電壓變化情況。

圖4實(shí)例一中產(chǎn)生的超高速光信號(hào)。

圖5實(shí)例二中產(chǎn)生的超高速光信號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1至5對基于石墨烯柵層硅波導(dǎo)的超高速電光信號(hào)發(fā)生器作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例一：

基于石墨烯柵層硅波導(dǎo)的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，如圖1所示，其特征在于：該結(jié)構(gòu)包括sio2平板基底1、al2o3層2、鉑層3、導(dǎo)光硅波導(dǎo)4、連接硅波導(dǎo)5、石墨烯柵層6、正電極7、負(fù)電極8。

具體組合方式為：正電極7和負(fù)電極8周期性排列至基底表面兩端，主硅波導(dǎo)4覆于sio2平板基底1之上靠中間位置，表面硅波導(dǎo)5同樣置于sio2平板基底1之上，一端連接導(dǎo)光硅波導(dǎo)4，另一端連接負(fù)電極8。al2o3層2覆于導(dǎo)光硅波導(dǎo)4、連接硅波導(dǎo)5和sio2平板基底1表面之上。石墨烯柵層6覆于導(dǎo)光硅波導(dǎo)4和無連接硅波導(dǎo)5這一側(cè)的al2o3層2上直到連至正電極7。鉑層3覆于石墨烯柵層6之上，且一端連接至正電極7。

石墨烯柵層6的厚度0.7nm，周期長度為2mm。

主硅波導(dǎo)4的厚度250nm，寬600nm。

表面硅波導(dǎo)5的厚度50nm。

al2o3層的厚度7nm。

鉑層3的厚度10nm，與導(dǎo)光硅波導(dǎo)4的距離大于500nm。

經(jīng)過上述設(shè)置，按照圖2調(diào)節(jié)正電極7與負(fù)電極8的電壓差產(chǎn)生電信號(hào)，得到如圖4的超高速光信號(hào)，電壓變化速度為360mhz，一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)無電壓時(shí)間為3ps，產(chǎn)生光信號(hào)速度為360gb/s，脈沖寬度為3ps。

實(shí)施例二：

基于石墨烯柵層硅波導(dǎo)的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，如圖1所示，其特征在于：該結(jié)構(gòu)包括sio2平板基底1、al2o3層2、鉑層3、導(dǎo)光硅波導(dǎo)4、連接硅波導(dǎo)5、石墨烯柵層6、正電極7、負(fù)電極8。

具體組合方式為：正電極7和負(fù)電極8周期性排列至基底表面兩端，主硅波導(dǎo)4覆于sio2平板基底1之上靠中間位置，表面硅波導(dǎo)5同樣置于sio2平板基底1之上，一端連接導(dǎo)光硅波導(dǎo)4，另一端連接負(fù)電極8。al2o3層2覆于導(dǎo)光硅波導(dǎo)4、連接硅波導(dǎo)5和sio2平板基底1表面之上。石墨烯柵層6覆于導(dǎo)光硅波導(dǎo)4和無連接硅波導(dǎo)5這一側(cè)的al2o3層2上直到連至正電極7。鉑層3覆于石墨烯柵層6之上，且一端連接至正電極7。

石墨烯柵層6的厚度0.7nm，周期長度為2mm。

主硅波導(dǎo)4的厚度250nm，寬600nm。

表面硅波導(dǎo)5的厚度50nm。

al2o3層的厚度7nm。

鉑層3的厚度10nm，與導(dǎo)光硅波導(dǎo)4的距離大于500nm。

經(jīng)過上述設(shè)置，按照圖3調(diào)節(jié)正電極7與負(fù)電極8的電壓差產(chǎn)生電信號(hào)，得到如圖4的超高速光信號(hào)，電壓變化速度為360mhz，一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)無電壓時(shí)間為3ps，產(chǎn)生光信號(hào)速度為360gb/s，脈沖寬度為1.5ps。