一种基于石墨烯的高线性度微环辅助MZ调制器的制作方法

一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器
技术领域
1.本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器及其使用方法。


背景技术：

2.电光调制器作为光载无线通信(rof)技术的核心组成部分，其线性度的优劣会直接影响系统的信号传输、处理和无杂散动态范围(sfdr)。对于电光调制器，目前较为主流的调制方式为外部调制，但是这会引入非线性效应，在链路中产生非线性失真。在实际应用中，随着对模拟信号无失真传输和处理的要求日益提升，rof技术的线性调制也越来越被人们重视。因此，提升电光调制器的线性度，抑制调制器中非线性效应的产生是保证微波信号高保真传输，提升rof性能的重要技术点。目前较为成熟的光域线性化方法包括：光域前馈补偿技术、光域双偏振控制技术、光域后补偿技术、微环辅助技术等。其中微环辅助技术是在马赫
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曾德尔(mz)调制器上集成具有超线性的微环谐振器，形成微环辅助mz调制器(mramzm)，通过微环谐振器来对光路进行线性补偿，是一种广为接收和使用的高线性度实现方案。
3.该方法主要是利用微环的超线性来与mz调制器的余弦非线性特性形成互补。对于无损耗模型，通过调控mzm的直流偏置于线性偏置点，再调控微环与mzm调制器的耦合系数为0.928，就可以达到mramzm高线性度要求。但是，这些方式大都针对单一的工作波长，这并不能很好地契合波分复用系统。而且实际上模型的微环损耗并不能忽略，这使得固定的耦合结构不再能满足高线性度要求。所以寻求一种多波长下mramzm线性度提升的方案十分有必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对以上现有技术所述的微环耦合效率无法在较高精度下调控和微环工作波长受限、不可调谐的技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器。该发明提出了一种新的微环耦合调制结构，基于此结构的微环调制器能够微调微环与mzm调制臂的耦合效率，使其达到我们想要的某一特定值，且精度较高，从而达到器件高线性度要求。并且该器件的工作波长可调谐，对于线性化集成器件有重要应用价值。
5.本发明采用的技术方案如下：一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器，具体包括微环波导结构、信号调制结构、相位调制结构、调制耦合结构和包含可调分束器的mz调制器，整个器件安装在基底上。
6.进一步地，所述微环波导结构包括硅波导微环，微环上部分集成所述信号调制结构和相位调制结构。下部分与平行贴合的mzm调制臂之间固定一定间距。
7.进一步地，所述信号调制结构、相位调制结构及调制耦合结构内分别包裹石墨烯
层，石墨烯层与波导材料被一定厚度的隔离介质隔离，所述石墨烯层分别向远离微环波导结构一侧延伸，且分别与相应的电极相连。
8.具体地，所述石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，石墨烯在外加电压作用下，其化学势及电导率会随之发生改变，从而改变其折射率和吸收率，同时，石墨烯具有零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用，在传统soi波导中水平铺设石墨烯层，将偏置电压施加在石墨烯层上，改变石墨烯本身的复折射率，可以改变对入射光的吸收强度达到入射光的相位或振幅调制。
9.优选地，所述微环波导结构采用条形波导，尺寸为400x220nm，所述波导材料为硅。
10.优选地，所述基底的材料为二氧化硅。
11.优选地，所述隔离介质材质为六方氮化硼(hbn)，石墨烯与波导材料之间的隔离介质厚度为5nm。
12.优选地，所述结构中所有波导结构均为单模波导，在所选波长范围内仅支持单模传输，并对tm0模式进行调制。耦合调制区域的耦合长度为10μm，耦合间距为100nm，微环波导结构的半径为20μm，信号调制结构、相位调制结构的长度均为4μm。
13.一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器的使用方法，包括调谐工作波长步骤、石墨烯微调耦合效率步骤和mzm调整分光比步骤，具体如下：调谐工作波长包括以下步骤：1)对微环耦合调制结构输入光信号；2)调节加在相位调制结构中石墨烯层的偏压，使得该石墨烯层处于不同的化学势，对输入光信号进行相位调制，使得微环波导结构中光信号谐振波长随所加偏压变化；3)确定各化学势下微环波导结构中光信号远离谐振波长的位置，即对应工作波长随偏压可调谐。
14.石墨烯微调耦合效率包括以下步骤：1)对微环波导结构中输入波长为结构工作波长的光信号；2)调节加在调制耦合结构中石墨烯层的偏压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述调制耦合结构的光信号耦合环境，进而改变耦合效率，调节偏压使得耦合效率达到目标耦合效率。
15.mzm调整分光比包括以下步骤：1)通过调谐工作波长和耦合效率，确定与工作波长对应的调制臂损耗和所需的mz调制器分光比；2)根据mz调制上下臂损耗的差异，调节加在mz调制器可调分束器中石墨烯层的偏压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述可调分束器中光的耦合进程，使分束器的分光比达到预定值。
16.具体地，根据耦合理论分析，通过在微环耦合区域引入石墨烯结构，可以在石墨烯加上基础偏压的情况下预先先设计好结构尺寸，把耦合效率调控到我们需要的值附近，再通过改变石墨烯所加偏压的方式来微调耦合环境，从而实现对耦合效率的较高精度调控，同时，通过在微环上引入石墨烯结构，可以通过改变石墨烯所加偏压，改变调制区域的光相移，实现对微环上单周相移的调控，从而实现工作波长的可调谐。最后通过改变mz调制器中的可调分束器的分光比，实现与工作波长对应的分光比，从而使所述器件达到较高的消光
比，提升调制器性能。
17.相较于现有技术，本发明的有益效果是：(1)本发明技术方案提出了一种新的微环耦合调制结构，基于此结构的微环调制器能够微调微环与调制臂间的耦合效率，使其达到我们想要的某一特定值，且精度较高，从而在需要精确控制耦合效率的应用场景中发挥作用，并且此结构的工作波长可调谐，该结构对于线性化的集成光子器件有着重要应用价值，并通过仿真验证了结果的正确性；(2)本发明基于石墨烯可以对光场进行相位和强度调制的原理，不需要更改器件结构就可以实现工作波长的可调谐，本发明利用石墨烯结构微调耦合结构的耦合环境，实现对耦合效率的调节，对耦合效率的调节与微环半径无关，对任意半径的微环都适用，本发明因其可微调，对工艺容差要求降低，有利于器件的制作。
附图说明
18.图1为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器的立体结构示意图(a)、相位调制结构和耦合调制结构包裹石墨烯示意图(b,c)和可调分束器包裹石墨烯示意图(d)；图2为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器中相位调制结构2分别处于0.2ev、0.4ev、0.6ev和0.8ev化学势时，该调制结构在1.54μm
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1.56μm入射光波长下的微环耦合谐振情况图；图3为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器在相位调制结构2不同的石墨烯化学势下，微环的工作波长和微环单周损耗的变化情况图；图4为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器在不同工作波长下，保持器件高线性度所需的耦合效率；图5为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器工作波长为1.5468μm、耦合间距为100nm时，确定耦合长度为10μm，调制耦合结构3耦合效率和耦合区域石墨烯11化学势的关系图；图6为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器工作波长为1.5468μm、耦合间距为100nm、器件工作于高线性度状态时，器件的无杂散动态范围；图7为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器工作波长为1.5468μm、耦合间距为100nm时，器件在高线性度状态时，所述可调分束器的分光比随分束器中石墨烯化学势的变化关系图；图8为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器工作波长为1.5516μm、耦合间距为100nm时，确定耦合长度为10μm，调制耦合结构3耦合效率和耦合区域石墨烯11化学势的关系图；图9为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器工作波长为1.5516μm、耦合间距为100nm、器件工作于高线性度状态时，器件的无杂散动态范围；图10为本发明一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器工作波长为1.5516μm、耦合间距为100nm时，器件在高线性度状态时，所述可调分束器的分光比随分束器中石墨烯化学势的变化关系图；图中标记为：1
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相位调制结构，2
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信号调制结构，3
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调制耦合结构，4
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可调分束器，
5
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集成微环，6
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mz调制器，7
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基底，8
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直流偏置，9、10、11、12
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电极，13、14、15
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隔离层，16、17、18
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石墨烯。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
20.如图1所示，一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器，具体包括微环波导结构5、相位调制结构1、信号调制结构2、调制耦合结构3和包含可调分束器的mz调制器6，整个微环耦合调制结构固定在基底7上。
21.微环波导结构5集成相位调制结构1和信号调制结构2，并与相同曲率的调制耦合结构3保持固定的间距。
22.相位调制结构1包裹石墨烯层16，调制耦合结构3包裹石墨烯层17，可调分束器4包裹石墨烯层18。石墨烯层16、17和18与波导材料和包层材料被一定厚度的隔离介质13、14和15隔离，石墨烯层16、17和18分别向远离波导一侧延伸，且分别与电极9、10和11相连。信号调制结构2和直流偏置8通过电极施加电信号和偏压。
23.结构中的波导采用条形波导，尺寸为400x220nm，波导材料为硅，基底7的材料为二氧化硅，实现调制功能的材料为石墨烯，石墨烯层16、17和18与波导材料之间的隔离介质为六方氮化硼(hbn)，所述结构中所有波导结构均为单模波导，在所选波长范围内仅支持单模传输，并针对tm0模式进行调制。微环波导的半径为20μm，耦合调制区域的耦合长度为10μm，耦合间距为100nm，相位调制结构1、信号调制结构2的长度均为4μm，石墨烯与波导材料之间有5nm厚的隔离介质6。
24.一种基于石墨烯的高线性度微环辅助mz调制器的使用方法，包括调谐工作波长步骤和石墨烯微调耦合效率步骤，具体如下：调谐工作波长包括以下步骤：1)对微环耦合调制结构输入光信号；2)调节加在相位调制结构中石墨烯层的偏压，使得该石墨烯层处于不同的化学势，对输入光信号进行相位调制，使得微环波导结构中光信号谐振波长随所加偏压变化；3)确定各化学势下微环波导结构中光信号远离谐振波长的位置，即对应工作波长随偏压可调谐。
25.石墨烯微调耦合效率包括以下步骤：1)对微环波导结构中输入波长为结构工作波长的光信号；2)调节加在调制耦合结构中石墨烯层的偏压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述调制耦合结构的光信号耦合环境，进而改变耦合效率，调节偏压使得耦合效率达到目标耦合效率。
26.mzm调整分光比包括以下步骤：1)通过调谐工作波长和耦合效率，确定与工作波长对应的调制臂损耗和所需的mz调制器分光比；2)根据mz调制上下臂损耗的差异，调节加在mz调制器可调分束器中石墨烯层的偏
压，使石墨烯处于不同的化学势，改变所述可调分束器中光的耦合进程，使分束器的分光比达到预定值。
27.根据耦合理论分析，通过在微环耦合区域引入石墨烯结构，可以在石墨烯加上基础偏压的情况下预先先设计好结构尺寸，把耦合效率调控到我们需要的值附近，再通过改变石墨烯所加偏压的方式来微调耦合环境，从而实现对耦合效率的较高精度调控，同时，通过在微环上引入石墨烯结构，可以通过改变石墨烯所加偏压，改变调制区域的光相移，实现对微环上单周相移的调控，从而实现工作波长的可调谐。
28.对相位调制结构1中石墨烯16添加不同偏置电压，使得石墨烯16处于不同的化学势，进而改变微环的谐振特性，如图2所示。根据谐振特性，确定各化学势下微环波导结构中光信号远离谐振波长的位置，即对应工作波长和微环单周损耗随偏压可调谐，如图3所示。进一步调节调制耦合结构3中石墨烯17的偏压来实现对耦合效率的高精度调控。根据mramzm的高线性度实现方案，确定在不同波长和对应的微环单周损耗下，所需的最优解耦合效率如图4所示。
29.实施例1当相位调制结构1上石墨烯16选取0.7ev时，对应的器件工作波长为1.5468μm，对应的微环单周损耗为0.942，所需满足高线性度要求的最优解耦合效率为0.913。
30.图5是工作波长为1.5468μm，耦合间距为100nm，耦合长度为10μm时，调制耦合结构3耦合效率随石墨烯17化学势的变化关系。从图中可以看出，当调制耦合结构3中石墨烯17处于0.72ev时，可以调控耦合效率精确达到目标值(0.913)。此时器件达到工作波长为1.5468μm时高线性度的要求。
31.图6是工作波长为1.548μm时，满足高线性度要求情况下，表征器件线性度特性的参量sfdr。可以看到器件的sfdr达到112.7db
·
hz
2/3
，相较于一般mz调制器的97db
·
hz
2/3
，提高了15db。
32.微环的引入使得mz调制器的调制臂和参考臂存在损耗的差异，为了保持上下臂接近1：1的光强度输出，进而提高器件的消光比，需要调整可调分束器的分光比为0.55：0.45。图7是可调分束器4的耦合臂归一化输出强度随分束器4上石墨烯18化学势的变化。可以看到当选取石墨烯18的化学势为0.65ev时，可调分束器4的分光比达到所需值。
33.实施例2当相位调制结构1上石墨烯16选取0.47ev时，对应的器件工作波长为1.5516μm，对应的微环单周损耗为0.804，所需满足高线性度要求的最优解耦合效率为0.882。
34.图8是工作波长为1.5516μm，耦合间距为100nm，耦合长度为10μm时，调制耦合结构3耦合效率随石墨烯17化学势的变化关系。从图中可以看出，当调制耦合结构3中石墨烯17处于0.41ev时，可以调控耦合效率精确达到目标值(0.882)。此时器件达到工作波长为1.5516μm时高线性度的要求。
35.图9是工作波长为1.5516μm时，满足高线性度要求情况下，表征器件线性度特性的参量sfdr。可以看到器件的sfdr达到114.1db
·
hz
2/3
，相较于一般mz调制器的97db
·
hz
2/3
，提高了17db。
36.微环的引入使得mz调制器的调制臂和参考臂存在损耗的差异，为了保持上下臂接近1：1的光强度输出，进而提高器件的消光比，需要调整可调分束器的分光比为0.62：0.38。
图10是可调分束器4的耦合臂归一化输出强度随分束器4上石墨烯18化学势的变化。可以看到当选取石墨烯18的化学势为0.42ev时，可调分束器4的分光比达到所需值。
37.以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。