基于石墨烯-硅狭缝波导微环谐振器的1.5与2 μm波段高效电光调制器

电光（E/O）调制器对光通信至关重要，但面临带宽与效率之间的权衡。本研究提出并演示了一种集成调制器，该调制器通过在紧凑的硅狭缝波导微环谐振器上嵌入部分重叠的双层石墨烯，同时实现了宽带宽、大带宽和高效率运行。在1.5 μm波段，该调制器在1549.023 nm（失谐45 pm）处，在3 V电压摆幅下，具有超过70 GHz（受限于测试设备）的大带宽、10 μm的有源长度、1.41 dB的插入损耗（IL）、9.2 dB的消光比（ER）和−1.97 dBm的光调制幅度（OMA）。在2 V射频驱动电压下，获得了50 Gbit/s的张开眼图。在2 μm波段，该调制器具有超过20 GHz（受限于测试设备）的大带宽、9.3 dB的消光比、2.98 dB的插入损耗，在6 V电压摆幅下，OMA为−3.36 dBm，并在2 V射频驱动电压下实现了20 Gbit/s的张开眼图。这种宽带宽、大带宽、紧凑、高效率且低能耗的石墨烯电光调制器有望实现大规模石墨烯光子集成电路（PICs），促进光互连和可编程光子回路等广泛应用。

近年来，互联网带宽需求的快速增长对高速光通信系统提出了根本性的突破要求。电光调制器在光通信系统中扮演着核心角色，对高调制效率和大带宽的需求尤为迫切，尤其在数据中心领域，高速、紧凑、低成本和低功耗是关键指标。此外，光神经网络和可编程光子回路等新兴应用也预期将受益于大带宽和高效率的电光调制器。目前，调制器已在多种平台上实现，包括硅、薄膜铌酸锂（TFLN）、等离激元、钛酸钡（BaTiO₃）、有机电光聚合物、III-V族材料、氧化铟锡（ITO）和薄膜钽酸锂（TFLT）等。尽管这些平台各具优势（例如硅具有CMOS兼容性和高产能，TFLN支持大带宽和低损耗运行，等离激元器件尺寸紧凑，聚合物和III-V材料可实现低驱动电压），但同时实现大带宽和高调制效率仍具挑战性。增大器件尺寸以累积更强的电光相互作用可提高效率，但会引入更大电容，从而限制带宽。

为解决这一挑战，研究人员提出并演示了一种微环调制器，其特点是在硅狭缝波导上采用双层石墨烯结构。该调制器由一个位于50纳米宽空气狭缝波导上的部分重叠双层石墨烯构成，该波导嵌入在一个微环谐振器中。石墨烯层长度仅为10 μm，重叠宽度仅为110纳米。硅狭缝波导结构通过减小顶层和底层石墨烯之间的重叠面积，既增强了电光相互作用又降低了电容，从而同时实现了高调制效率和大带宽。所提出的石墨烯-硅狭缝波导微环调制器在3 V电压摆幅下，表现出超过70 GHz（受限于测试设备）的大带宽、9.21 dB的消光比、1.41 dB的插入损耗和−1.97 dBm的OMA（相对于谐振波长失谐45 pm），并在2 V驱动电压下获得了50 Gbit/s的张开眼图。

该调制器采用石墨烯作为电光材料，因其具有无能隙的带结构、高载流子迁移率和快速的光生载流子生成/弛豫时间。此外，石墨烯还具有低本征光损耗、宽带工作特性和CMOS兼容性。然而，传统的石墨烯电光调制器通常受限于较弱的光-石墨烯相互作用、较低的调制效率，以及较长的石墨烯长度限制了可实现的调制带宽。为克服这些局限，研究人员提出了一种深亚波长空气狭缝波导微环结构。通过将石墨烯置于这种超窄狭缝波导上，石墨烯的有效折射率变化显著增强，从而最小化了石墨烯长度，减小了有效器件尺寸和电容，进而实现了大的电光调制带宽。微环结构被用来循环利用光，进一步增强了调制效率。然而，结合狭缝波导和微环结构具有挑战性，因为狭缝波导通常会引入高损耗，导致微环品质因数（Q值）低，效率低下。本器件设计旨在实现微环带宽和品质因数之间的良好平衡，从而同时获得高带宽和高调制效率。为降低损耗并提高OMA，调制器工作在石墨烯透明区，此时石墨烯同时具备强电折射效应和低光学损耗。

除了在电信C波段（1.5 μm波段）的性能，研究人员进一步展示了该石墨烯调制器的宽带通用性，在中红外2 μm波段（被认为是下一个通信窗口）实现了基于石墨烯的调制器。该2 μm波段调制器的带宽超过20 GHz（受限于测试设备），在6 V电压摆幅下，插入损耗为2.98 dB，消光比为9.3 dB，OMA为−3.36 dBm，并在2 V驱动电压下实现了20 Gbit/s的张开眼图（受限于测试设备）。

研究人员还表明，他们的石墨烯调制器在广泛的耦合间隙和石墨烯长度范围内均能实现功能性器件，这对于开发大规模光子集成电路至关重要。为此，研究人员开发了一种新的石墨烯转移工艺并优化了器件制造流程，能够转移大体积的石墨烯，且该制造工艺与CMOS技术兼容。这些发现标志着向实现大规模石墨烯基光子集成电路迈出了重要一步。

本研究涉及的关键技术方法主要包括三方面：器件设计上，采用了深亚波长硅狭缝波导与微环谐振器结合的设计，并通过有限元法优化了狭缝宽度（50纳米）、波导宽度（250纳米）、介电层厚度（35纳米）及双层石墨烯重叠宽度（110纳米）等参数；在制造上，基于220纳米厚的绝缘体上硅（SOI）平台，利用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀制备了狭缝波导等无源结构，通过改进的湿法转移工艺将化学气相沉积（CVD）生长的单层石墨烯转移到芯片上，并采用原子层沉积（ALD）技术生长了高质量的氧化铝（Al₂O₃）介电层，最后通过快速热退火（RTA）工艺降低了接触电阻；在性能表征上，利用光学光谱仪测量了静态传输特性，并使用矢量网络分析仪（VNA）和高速光电探测器测试了调制带宽和眼图，验证了其高速调制能力。

**研究结果**部分详细阐述了器件的性能。**静态表征**：研究人员测量了1.5和2 μm波段调制器在不同偏置电压下的传输光谱。在1.5 μm波段，微环调制器表现出明显的谐振波长偏移，计算显示石墨烯初始为p型掺杂。在3 V电压摆幅和5.5 V偏置电压下，于失谐45 pm处获得了最佳OMA（−1.97 dBm）。在2 μm波段，同样观测到了显著的谐振偏移和调制效果，OMA为−3.36 dBm。**高速表征**：使用矢量网络分析仪和光电探测器测量了调制带宽。在1.5 μm波段，于失谐波长处测得的3-dB带宽超过70 GHz，受限于测试设备，远高于谐振波长处的光子寿命（对应带宽约60 GHz）。在2 μm波段，测得带宽超过20 GHz，受限于探测器带宽。计算表明，得益于石墨烯极小的电容（约2.5 fF），理论带宽可达104 GHz。眼图测试显示，在1.5 μm波段，使用2 V射频驱动电压获得了50 Gbit/s的张开眼图；在2 μm波段，获得了20 Gbit/s的张开眼图。**器件可重复性**：研究人员对十个不同耦合间隙和石墨烯长度的器件进行了统计分析，这些调制器表现出平均26.4 dB的消光比、5.2 dB的插入损耗和−5.3 dBm的OMA，且谐振波长处的带宽均超过40 GHz，证明了该设计具有良好的可重复性，为未来大规模生产奠定了基础。

总结讨论部分，本研究成功演示了一种在1.5和2 μm两个波段均能实现宽带宽、大带宽和高调制效率的电光调制器。其核心在于采用了仅10 μm长的双层石墨烯与50纳米宽硅狭缝波导结合的创新结构。该设计通过增强光-石墨烯相互作用和最小化器件尺寸与电容，有效解决了传统石墨烯调制器在带宽与效率之间的权衡难题。所达到的性能指标，如超过70 GHz的带宽、超过50 Gbit/s的数据传输速率以及良好的器件可重复性，标志着石墨烯光子集成器件研究的重要进展。该集成调制器平台不仅性能优越，而且其制造工艺与CMOS兼容，并具有向氮化硅（Si₃N₄）等其他平台拓展的潜力，有望推动新一代超高速大规模集成光电子电路的发展，在光互连、可编程光子回路和光计算等领域具有广阔的应用前景。