浙江大学《AOM》：基于超薄硅/石墨烯混合波导的高效全光调制器

成果简介

全光调制在下一代光处理中起着关键作用，并引起了全世界的广泛关注。石墨烯具有非凡的光电特性和与各种纳米结构的友好集成兼容性，在超快和节能的全光调制方面显示出巨大的潜力。本文，浙江大学戴道锌团队在《ADVANCED OPTICAL MATERIALS》期刊发表名为“High-Efficiency All-Optical Modulator Based on Ultra-Thin Silicon/Graphene Hybrid Waveguides”的论文，研究基于超薄硅/石墨烯混合波导的高效片上全光调制得到了实验证明，该波导与互补金属氧化物半导体兼容且易于制造。由于超薄硅光子平台增强了光-石墨烯相互作用，石墨烯中的光学非线性吸收大大增强，对于2μm长的调制器，每脉冲饱和阈值为0.9pJ，调制深度达到>50dB。测得的调制效率高达 0.052dB μm−1.此外，所提出的全光调制器有可能在数百千兆赫的带宽下工作。目前石墨烯在超薄硅光子波导上的混合集成为片上超快和高能效全光信息处理的应用铺平了道路。

图文导读

图1、基于超薄硅/石墨烯混合波导的全光调制器原理图。

图2、在λ=1.55µm时优化最大光石墨烯相互作用的EIF

图3、硅/石墨烯混合波导的模拟吸收系数AG

图4、基于超薄硅/石墨烯混合波导的调制器的模拟 MEmax

图5、超薄硅/石墨烯混合波导的表征

图6、基于超薄硅/石墨烯混合波导的全光调制演示。

小结

综上所述，本文提出并演示了一种基于超薄硅/石墨烯混合波导的高效全光调制器，其硅芯层厚度≈100 nm，表现出增强的光-石墨烯相互作用，与 hco = 220 nm 的传统石墨烯载硅光子波导相比，具有独特的优势。我们深入研究了波导尺寸（高度和宽度）和石墨烯特性对全光调制器性能的影响。实验证明，利用石墨烯的超快 SA 效应和增强的光物质相互作用，全光调制器的饱和阈值低于微焦耳，ME值为0.052 dB µm-1，MD 值超过 2 dB，带宽高达数百 GHz。特别是，大幅增强的光非线性吸收还有助于片上非线性光学的其他应用，如片上超快脉冲发生。此外，目前的全光调制器占地面积小，制造工艺简单，与 CMOS具有良好的兼容性，因此有望应用于大规模光子集成。相信这项工作将为片上超快和高能效全光信息处理的现实应用铺平道路。

文献：https://doi.org/10.1002/adom.202301549