2 μm 与 1.5 μm 波段高速集成石墨烯-硅槽波导电吸收调制器

研究背景

　　信息时代数据量以每四年增长十倍的速度爆发式膨胀，光纤网络在未来十年将面临严峻的容量瓶颈。在诸多应对方案中，2 μm 波段凭借低损耗、低非线性的空芯光子带隙光纤以及超宽带掺铥光纤放大器（TDFA）的支撑，成为极具潜力的新型通信窗口；同时它与硅光子学工艺兼容，可借助成熟的 CMOS 工艺实现大规模集成收发芯片。目前已有多种面向 2 μm 波段的硅基光子器件被报道，但高速集成的电光调制器演示仍十分有限。

　　现有 2 μm 波段硅基电光调制器主要依赖硅中载流子浓度的变化，这是一种本征较弱的效应，带宽受限；基于铌酸锂薄膜（TFLNOI）的普克尔效应调制器则不兼容 CMOS 工艺。此外，硅基与铌酸锂薄膜集成调制器通常采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）或微环结构，前者尺寸庞大，后者工作波长范围窄且对温度敏感。相比之下，电吸收调制器具有非谐振、平坦响应的优点，不受波长与工艺误差的强约束，是更理想的方案。然而，自然界中在 2 μm 波段具备电可调光吸收特性的材料极为稀缺：弗兰兹-凯尔迪什效应与量子限制斯塔克效应都只在材料带隙边缘附近有效，每种半导体仅覆盖很窄的光谱窗口。

　　石墨烯是极具吸引力的电光调制材料。其无带隙的能带结构使其在从紫外到太赫兹的宽波段内都具有电可调的光吸收；飞秒量级的光生载流子弛豫时间可支撑高达500 GHz的带宽；同时石墨烯具有低本征损耗、强光-物质相互作用和 CMOS 兼容性。尽管石墨烯工作波段极宽、且已被证明可在 2 μm 波段调制光信号，但在该波段的石墨烯电光调制器此前尚未实现，这正是本工作要填补的空白。

成果简介

　　近期，丹麦技术大学Hao Hu 高级研究员、Yunhong Ding 高级研究员与美国麻省理工学院Chao Luan 博士后研究团队提出并首次实验演示了基于石墨烯-硅槽波导的 2 μm 波段电吸收调制器，同一有源区可同时工作于 2 μm 与 1.5 μm 波段，器件占位仅 6 μm，采用集总电极，避免了行波电极在多波段调制时的波导色散与载流子速度失配问题。

　　器件的核心是深亚波长硅槽波导：两条宽320 nm的硅条波导之间隔以50 nm宽的空气槽，可获得最大的吸收系数变化 Δα。仿真表明电场有超过45%被紧束缚在空气槽内，极大增强了光与石墨烯的相互作用，即使石墨烯长度很短也能保持高调制效率。上下双层石墨烯的交叠宽度仅110 nm，介质层厚 50 nm，两者共同降低了电容、拓宽了调制带宽。由于器件工作在非谐振的电吸收模式，工作波长不受腔谐振约束，因而对温度变化和工艺误差都更稳健。采用槽波导后消光比相比条形波导提升了8 倍以上。

　　在 2 μm 波段，器件实测 3 dB 带宽超过40 GHz（受测试系统限制），调制效率0.2 dB/μm，插入损耗低至0.6 dB，在 40 μm 石墨烯长度下获得最高7.6 dB的消光比，单比特功耗约10 fJ/bit，并获得 25 Gbit/s 的张开眼图。在 1.5 μm 波段，器件性能同样优异：3 dB 带宽超过70 GHz，调制效率0.18 dB/μm，消光比 6.9 dB（40 μm），并演示了 50 Gbit/s 的张开眼图。数值计算进一步表明，得益于极小的器件电容，该调制器带宽有望达到150 GHz。器件制备于高阻 220 nm 绝缘体上硅（SOI）平台，并通过快速热退火（RTA）将接触电阻降低约68%。

图注说明

　　图1 器件结构。（A–C）石墨烯-硅槽波导电吸收调制器的结构示意图与横截面图；（D）器件的光学显微镜照片，可见槽波导与两个电极焊盘；（E）槽波导区域的伪彩色扫描电镜（SEM）照片，上下两层石墨烯通过部分交叠形成电容，以降低器件电容并增强光-石墨烯相互作用。

　　图2 双层石墨烯槽波导调制器的优化。（A）归一化吸收系数变化 Δα 随槽波导尺寸的变化；（B）消光比、带宽、插入损耗及调制效率-带宽积随介质层厚度的变化，介质层厚 50 nm 时调制效率-带宽积最高；（C）上述参量随双层石墨烯交叠宽度的变化；（D）归一化金属吸收损耗、调制带宽及调制效率-带宽积随电极-波导间距的变化；（E）槽波导本征模场分布，显示光场紧束缚于空气槽内；（F）槽波导调制器的 RC 等效电路模型。

　　图3 2 μm 波段双层石墨烯槽波导调制器的表征。（A）不同石墨烯长度下的归一化光传输谱；（B）0 V 偏压下的传输谱，呈现平坦的吸收谱；（C）实测吸收系数随直流电压的变化，静态调制效率约 0.2 dB/μm；（D）不同石墨烯长度下的消光比，随长度线性增大；（E）电光 S₂₁ 频率响应，带宽超过 40 GHz；（F）20 与 25 Gbit/s 下的实测眼图，带宽与眼图均受测试系统限制。

　　图4 1.5 μm 波段电吸收调制器的表征。（A）不同石墨烯长度下的归一化光传输谱；（B）0 V 偏压下的传输谱；（C）实测吸收系数随直流电压的变化；（D）不同石墨烯长度下的消光比；（E）电光 S₂₁ 频率响应，带宽超过 70 GHz；（F）40 与 50 Gbit/s 下的实测眼图。

总结展望

　　研究团队演示了首个集成的石墨烯-硅槽波导 2 μm 波段电吸收调制器，兼具大带宽、低损耗、紧凑尺寸、稳健工作与高调制效率。这些优势源于槽波导结构、双层石墨烯的部分交叠以及改进的高质量大面积石墨烯转移工艺——它们在增强光-石墨烯相互作用的同时，通过降低电容拓宽了调制带宽。器件在 2 μm 与 1.5 μm 波段均展现出高速性能，实测带宽分别超过 40 GHz 与 70 GHz（均受测试系统限制），而计算带宽有望进一步扩展至 150 GHz。

　　该调制器在不同波段保持了几乎恒定的调制效率，凸显了石墨烯基调制器在光子集成电路（PIC）与光通信网络中面向多样化应用的通用性与潜力，可作为连接电子学与光子学的关键桥梁器件。作者指出，误码率（BER）表征在本工作中尚未开展，是后续优先推进的方向——需搭建驱动器与示波器带宽均与调制器匹配的定标传输链路。总体而言，本工作为石墨烯在高速 2 μm 波段光通信系统及其他先进光子器件中的实际应用铺平了道路。

研究背景

　　信息时代数据量以每四年增长十倍的速度爆发式膨胀，光纤网络在未来十年将面临严峻的容量瓶颈。在诸多应对方案中，2 μm 波段凭借低损耗、低非线性的空芯光子带隙光纤以及超宽带掺铥光纤放大器（TDFA）的支撑，成为极具潜力的新型通信窗口；同时它与硅光子学工艺兼容，可借助成熟的 CMOS 工艺实现大规模集成收发芯片。目前已有多种面向 2 μm 波段的硅基光子器件被报道，但高速集成的电光调制器演示仍十分有限。

　　现有 2 μm 波段硅基电光调制器主要依赖硅中载流子浓度的变化，这是一种本征较弱的效应，带宽受限；基于铌酸锂薄膜（TFLNOI）的普克尔效应调制器则不兼容 CMOS 工艺。此外，硅基与铌酸锂薄膜集成调制器通常采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）或微环结构，前者尺寸庞大，后者工作波长范围窄且对温度敏感。相比之下，电吸收调制器具有非谐振、平坦响应的优点，不受波长与工艺误差的强约束，是更理想的方案。然而，自然界中在 2 μm 波段具备电可调光吸收特性的材料极为稀缺：弗兰兹-凯尔迪什效应与量子限制斯塔克效应都只在材料带隙边缘附近有效，每种半导体仅覆盖很窄的光谱窗口。

　　石墨烯是极具吸引力的电光调制材料。其无带隙的能带结构使其在从紫外到太赫兹的宽波段内都具有电可调的光吸收；飞秒量级的光生载流子弛豫时间可支撑高达500 GHz的带宽；同时石墨烯具有低本征损耗、强光-物质相互作用和 CMOS 兼容性。尽管石墨烯工作波段极宽、且已被证明可在 2 μm 波段调制光信号，但在该波段的石墨烯电光调制器此前尚未实现，这正是本工作要填补的空白。

成果简介

　　近期，丹麦技术大学Hao Hu 高级研究员、Yunhong Ding 高级研究员与美国麻省理工学院Chao Luan 博士后研究团队提出并首次实验演示了基于石墨烯-硅槽波导的 2 μm 波段电吸收调制器，同一有源区可同时工作于 2 μm 与 1.5 μm 波段，器件占位仅 6 μm，采用集总电极，避免了行波电极在多波段调制时的波导色散与载流子速度失配问题。

　　器件的核心是深亚波长硅槽波导：两条宽320 nm的硅条波导之间隔以50 nm宽的空气槽，可获得最大的吸收系数变化 Δα。仿真表明电场有超过45%被紧束缚在空气槽内，极大增强了光与石墨烯的相互作用，即使石墨烯长度很短也能保持高调制效率。上下双层石墨烯的交叠宽度仅110 nm，介质层厚 50 nm，两者共同降低了电容、拓宽了调制带宽。由于器件工作在非谐振的电吸收模式，工作波长不受腔谐振约束，因而对温度变化和工艺误差都更稳健。采用槽波导后消光比相比条形波导提升了8 倍以上。

　　在 2 μm 波段，器件实测 3 dB 带宽超过40 GHz（受测试系统限制），调制效率0.2 dB/μm，插入损耗低至0.6 dB，在 40 μm 石墨烯长度下获得最高7.6 dB的消光比，单比特功耗约10 fJ/bit，并获得 25 Gbit/s 的张开眼图。在 1.5 μm 波段，器件性能同样优异：3 dB 带宽超过70 GHz，调制效率0.18 dB/μm，消光比 6.9 dB（40 μm），并演示了 50 Gbit/s 的张开眼图。数值计算进一步表明，得益于极小的器件电容，该调制器带宽有望达到150 GHz。器件制备于高阻 220 nm 绝缘体上硅（SOI）平台，并通过快速热退火（RTA）将接触电阻降低约68%。

图注说明

　　图1 器件结构。（A–C）石墨烯-硅槽波导电吸收调制器的结构示意图与横截面图；（D）器件的光学显微镜照片，可见槽波导与两个电极焊盘；（E）槽波导区域的伪彩色扫描电镜（SEM）照片，上下两层石墨烯通过部分交叠形成电容，以降低器件电容并增强光-石墨烯相互作用。

　　图2 双层石墨烯槽波导调制器的优化。（A）归一化吸收系数变化 Δα 随槽波导尺寸的变化；（B）消光比、带宽、插入损耗及调制效率-带宽积随介质层厚度的变化，介质层厚 50 nm 时调制效率-带宽积最高；（C）上述参量随双层石墨烯交叠宽度的变化；（D）归一化金属吸收损耗、调制带宽及调制效率-带宽积随电极-波导间距的变化；（E）槽波导本征模场分布，显示光场紧束缚于空气槽内；（F）槽波导调制器的 RC 等效电路模型。

　　图3 2 μm 波段双层石墨烯槽波导调制器的表征。（A）不同石墨烯长度下的归一化光传输谱；（B）0 V 偏压下的传输谱，呈现平坦的吸收谱；（C）实测吸收系数随直流电压的变化，静态调制效率约 0.2 dB/μm；（D）不同石墨烯长度下的消光比，随长度线性增大；（E）电光 S₂₁ 频率响应，带宽超过 40 GHz；（F）20 与 25 Gbit/s 下的实测眼图，带宽与眼图均受测试系统限制。

　　图4 1.5 μm 波段电吸收调制器的表征。（A）不同石墨烯长度下的归一化光传输谱；（B）0 V 偏压下的传输谱；（C）实测吸收系数随直流电压的变化；（D）不同石墨烯长度下的消光比；（E）电光 S₂₁ 频率响应，带宽超过 70 GHz；（F）40 与 50 Gbit/s 下的实测眼图。

总结展望

　　研究团队演示了首个集成的石墨烯-硅槽波导 2 μm 波段电吸收调制器，兼具大带宽、低损耗、紧凑尺寸、稳健工作与高调制效率。这些优势源于槽波导结构、双层石墨烯的部分交叠以及改进的高质量大面积石墨烯转移工艺——它们在增强光-石墨烯相互作用的同时，通过降低电容拓宽了调制带宽。器件在 2 μm 与 1.5 μm 波段均展现出高速性能，实测带宽分别超过 40 GHz 与 70 GHz（均受测试系统限制），而计算带宽有望进一步扩展至 150 GHz。

　　该调制器在不同波段保持了几乎恒定的调制效率，凸显了石墨烯基调制器在光子集成电路（PIC）与光通信网络中面向多样化应用的通用性与潜力，可作为连接电子学与光子学的关键桥梁器件。作者指出，误码率（BER）表征在本工作中尚未开展，是后续优先推进的方向——需搭建驱动器与示波器带宽均与调制器匹配的定标传输链路。总体而言，本工作为石墨烯在高速 2 μm 波段光通信系统及其他先进光子器件中的实际应用铺平了道路。

　　来源：低维昂维