更高效率+更快速度的石墨烯-硅集成调制器

科技 2024-11-18 16:38 河北

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石墨烯-硅异质集成的新概念有望在集成光子电路中实现有效的光调制。然而，在硅基石墨烯调制器的研究中，寻求在效率和速度方面取得重大进展的解决方案仍然是一个非常有趣和重要的话题。同时实现低功耗和紧凑的器件尺寸对于实现适合高速光互连和计算的紧密封装、节能光子电路至关重要。

近日，东南大学倪振华、王俊嘉教授和中国电子科技集团第五十五研究所带领研究团队利用金辅助转移方法实现了基于热光学和电吸收效应的石墨烯-硅集成调制器。与其他石墨烯转移方法相比，金辅助方法采用金膜而不是 PMMA 作为支撑层，提供了简化的制造和低接触电阻，得益于此，由金辅助转移实现的石墨烯-硅集成平台支持高性能光调制，展示了更高的效率和更快的调制速度。

图1. 金辅助转移法。该工艺首先在铜箔上生长的商业SLG样品上沉积Au支撑层。然后将铜衬底完全蚀刻在过硫酸铵溶液中4小时。一旦铜蚀刻完成，Au-SLG膜被转移到装有去水的烧杯中，然后被目标衬底提起。当完全干燥后，分别使用酸性水溶液和氧等离子体蚀刻去除多余的Au和石墨烯薄膜

图2. 石墨烯TO调制器。a，石墨烯TO微环调制器的3D图。b、设备截面。白色虚线表示石墨烯片。c、有限差分时域模拟的波导te模剖面分布。d，在器件中损耗~ 1mw功率时，x-y平面上的温升分布。e，红色箭头所示点的硅波导瞬态温升。f，设备的光学显微镜图像。标尺，40 μm。g、设备的伪彩色SEM图像。

图3. 石墨烯TO调制器的电光响应。a，不同施加的偏置电压（0-5 V）下的透射光谱（颜色）。如图所示为有效区有效折射率随偏置电压的变化。b，谐振峰的波长位移作为石墨烯输入功率的函数。c，硅谐振腔中温度随石墨烯输入功率的变化。d，在矩形偏置信号（1.85−2.15 V）下，通过端口在50 kHz到石墨烯的归一化输出强度。

图4. 石墨烯EA调制器。a，石墨烯EA调制器的3D图。b，设备的光学显微镜图像。标尺，100 μm。c、设备截面。黑色虚线表示石墨烯片。d、波导te模式剖面分布。e，在1550 nm处对应的透射率随施加偏置电压的函数。f、EA调制器在偏置电压为3 v时的电光S21频率响应，在数据速率为40、48、56 Gb/s时生成的NRZ眼图。

这种石墨烯-硅异质集成调制器是研究人员探索石墨烯潜力道路上的新阶段，有助于实现低功耗和高速的大规模集成光子电路。该成果以“High efficiency graphene–silicon hybrid-integrated thermal and electro-optical modulators”(《高效石墨烯硅异质集成热和电光调制器》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Nanoscale Horizons 上。

信息来源：Carbontech

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