随着未来数据需求的不断增长，高速光通信产业要求我们提供大带宽和低功耗的器件。作为将电信号转换为光信号的重要设备之一的光强度调制器，需要同时具备高调制速度、大带宽、小尺寸、低损耗和超低功耗等特点。其实现的原理分为两类，一是通过波导中的光吸收效应来实现，二是通过相位调制后的光干涉技术来间接实现强度调制。

对于传统的电吸收调制器（例如锗基调制器）来说，在其PN结上施加反向偏置电压，可以改变材料介电常数的虚部从而改变材料对光的吸收效率。但是由于其有限的带隙，锗基调制器的工作波长受到限制。而对于干涉型调制器来说，通常的实现方式是首先形成一个相位调制然后通过微环谐振器或干涉仪来实现强度调制功能。这种方法需要低损耗的制造工艺并且会占用较大的封装面积，这限制了它们在大规模电路上的集成应用。为了满足下一代通信系统对高速和低功耗的需求，我们迫切需要研发同时具有大带宽和大调制深度的集成电光硅基调制器。

将石墨烯等二维材料集成到硅光器件是引入光学器件光与物质相互作用的有效方法之一。作为一种新型材料，石墨烯具有二维结构，是由蜂窝晶格中形成的单层碳原子组成的。由于其特殊的二维结构，石墨烯具有易于集成、超宽吸收谱、可调节费米能级以及高载流子迁移率的优点。同时，石墨烯不同层之间的范德华力也避免在混合集成器件中出现“晶格失配”的问题。使用具有慢光效应的光子晶体波导（PhCW）可以增强器件中石墨烯与光相互作用，从而获得较大的调制深度。

为了实现大带宽和大调制深度的强度调制器，华中科技大学武汉光电国家研究中心的董建绩教授和丹麦技术大学光子技术研究中心的丁运鸿博士开展合作研究，提出并论证了一种新颖的结构，即在PhCW上生长石墨烯-氧化铝-石墨烯的叠层电容结构（如图1所示）。利用PhCW中的慢光效应，理论上调制深度可达到0.5 dB /μm且带宽为13.6 GHz。最终在工艺上成功地制备出了该器件（如图2），并实现了12 GHz的调制带宽。这种设计可以在不牺牲调制速度的情况下显著增加调制器的调制深度，还避免引入掺杂工艺，大大简化了制备过程。所提出的电吸收调制器在光学互连和数据中心应用中具有十分广阔的应用前景。

相关研究成果近期发表在《Nanophotonics》期刊上，董建绩教授和丁运鸿博士为通讯作者，程钊为第一作者，该工作得到了国家自然科学基金委（61622502，61805090）的支持。

图1.（a）双层石墨烯光子晶体波导调制器结构示意图。 （b）该调制器的横截面以及电学原理。

图2.（a）扫描电子显微镜下该调制器的成像。（b）该结构的细节图。

[1] Cheng, Z., Zhu, X., Galili, M., et al. (2019). Double-layer graphene on photonic crystal waveguide electro-absorption modulator with 12 GHz bandwidth. Nanophotonics, doi:10.1515/nanoph-2019-0381

来源：光电子器件与集成功能实验室

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