利用三维脊状单层石墨烯结构实现偏振不敏感的全光操控

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利用三维脊状单层石墨烯结构实现偏振不敏感的全光操控

时间：2026年1月16日

来源：Optics & Laser Technology

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单层石墨烯三维脊形波导结构实现非极化全光调制器件，通过980nm控制光激发载流子诱导带填充效应，抑制1550nm信号光吸收，获得70%-80%调制效率。

Kedi Peng|Zongyang Cai|Jiafeng He|Quandong Huang

中国广东省广州市广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究所

摘要

我们提出了一种基于三维（3D）脊状单层石墨烯结构的光学器件，该器件具有偏振不敏感的特性，能够实现对光的全光操控。通过调节石墨烯脊的几何形状和载流子动力学，该器件打破了传统平面石墨烯器件中对光的偏振依赖性。在设计中，该器件将脊状单层石墨烯嵌入聚合物波导核心，并利用泡利阻塞效应实现对任意偏振输入光的光学调制。980纳米的控制光激发石墨烯产生电子-空穴对，由此产生的定向载流子流动引发了能带填充效应，从而阻止了1550纳米信号光的吸收。当控制光的功率增加到足以突破信号光的吸收阈值时，无论输入光的偏振状态如何，信号光的损耗都会显著降低，调制效率约为70%至80%。这种新型芯片在偏振状态无关的情况下实现了光调制，并具备宽带操作能力，为下一代光调制芯片提供了新的解决方案。

引言

随着人工智能和云计算等新兴信息技术的发展，光通信网络和集成光互连对光器件响应速度和集成度的要求不断提高[1]、[2]。因此，由于其快速响应速度和易于集成，全光操控技术受到了广泛关注。基于全光操控机制的光学器件已在多种平台上实现，例如基于硅光子的谐振器[3]、[4]以及光子晶体腔[5]、[6]、[7]。然而，由于材料的物理限制，以往报道的全光操控器件存在操作带宽窄、结构复杂和制造成本高的问题。得益于二维（2D）材料所具有的宽带可调光学效应和强非线性光学特性[8]、[9]，将2D材料与波导结合的器件为实现超宽带和快速响应时间的全光调制提供了完美解决方案。在众多2D材料中，具有二维六角蜂窝晶格结构的单层石墨烯在光操控方面表现尤为突出[10]、[11]。利用单层石墨烯的优点，基于单层石墨烯的器件已被应用于多个领域，如光偏振器[12]、[13]、[14]、[15]、模式滤波器[16]、[17]、光电探测器[18]、[19]、[20]、光开关[21]、光调制器[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]以及光吸收[29]等。此外，当石墨烯吸收高频光时，价带电子会被激发到导带并占据导带的低能态，这种载流子的流动会引发能带填充效应，从而在一定程度上阻止低频光的吸收[22]。通过利用单层石墨烯的泡利阻塞效应，研究人员成功实现了光纤的宽带调制和光开关功能，并展示了在聚合物光波导中嵌入石墨烯的光损耗调制器件，对于1550纳米的TE偏振信号光和控制光，调制深度分别达到了4.6分贝和7.5分贝[25]、[26]；同时实验表明该器件的响应时间仅为几皮秒[22]。然而，以往的器件存在偏振依赖性，仅能操控矩形波导中的TE偏振光；进一步发展全光调制或光开关技术需要实现偏振不敏感特性，以适应任意偏振状态的输入光。

在本文中，我们提出了一种基于三维（3D）脊状单层石墨烯嵌入波导核心的偏振不敏感全光操控器件。当任意偏振的控制光被石墨烯吸收时，激发的载流子可以在横向和纵向流动，从而阻止信号光的吸收。通过两次制备波导核心层并将单层石墨烯转移并附着在矩形核心表面，使得基于石墨烯的器件能够牢固地附着在矩形波导核心上，形成连续的脊状单层石墨烯结构。该器件可以利用任意偏振状态的控制光实现对输入信号光的操控。

器件设计与原理

图1(a)展示了所提出器件的结构：3D脊状单层石墨烯嵌入波导核心。控制光（红色）和信号光（蓝色）同时被导入波导核心，该器件利用高频控制光来阻止低频信号光的吸收。全光操控的机制基于泡利阻塞效应。

器件制备与表征

为了验证该器件的概念，我们利用内部微制造工艺进行了器件制备。具体而言，使用EpoCore和EpoCladd（Microresist Technology, GmbH）材料来形成器件的核心和包层。制备步骤包括旋涂、软烘烤、光刻、显影、反应离子刻蚀（RIE）修整以及硬烘烤等。首先，在硅基底上旋涂一层厚厚的EpoCladd。