基于石墨烯栅层硅波导的超高速电光信号发生器技术领域
本发明属于通信用硅基器件领域，特别设计超高速信号发生器范围。
背景技术
光信号发生器是光通信系统中极其重要的一部分，光信号发生器的性能直接影响
到整个通信系统的性能，光信号发生器也称光信号源，用以产生光脉冲序列信号，提供使用
者需要的稳定、可信的参考信号。
近年来随着高速光通信系统迅速发展，迫切要求高速光信号发生器与之适应。现
有的产生超高速光信号的方法都要依赖于超短脉冲光源，光脉冲的宽度和重复频率决定了
系统最大复用速率。锁模光纤激光器采用谐波锁模时稳定性差，采用闭环误差信号反馈控
制腔长的方法，可以实现光纤锁模激光器的长期稳定运转，但器件结构复杂；多量子阱混合
锁模半导体激光器芯片成品率极低、需要昂贵的半导体加工设备、器件寿命不如锁模光纤
激光器，且目前价格过高。为了提供足够的时延，现有的OTDM复用器的每个臂上采用长光
纤，消除干涉现象造成的时延扰动，但是环境温度变化会改变延时特性，该种设计不具有长
期的稳定性。而全偏振光时分复用价格昂贵，需要配备可变时延线、可变衰减器和偏振控制
器等装置，结构十分复杂。另外，这种分臂结构的延时器对于制作有很高的精度要求，不易
实现，而且对外界环境的扰动也十分敏感。
采用基于连续光源更快响应时间的级联调制器的结构是简易廉价产生高稳定超
高速信号的更佳手段。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成正六边形呈蜂窝状晶格的二
位氮原子层平面晶体薄膜，狄拉克锥能带结构使其具有各种奇特和突出的光电性能(饱和
吸收和超快载流子跃迁和弛豫过程等)。基于这些特性的光调制器、超快锁模激光器、光电
探测器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明电极和导电薄膜已经被实验演示或商品
化。其中，基于石墨烯的光调制器在调制速度方面展现了其他材料调制器无法比拟的优势，
同时也兼顾集成性、调制深度、调制带宽和功耗等方面的考虑。自2011年加州大学伯克利分
校的刘明等人首次实现石墨烯电光调制以来，大量石墨烯电光调制器的仿真计算和实验被
报道，是目前基于石墨烯调制研究的主要方向。继刘明等人提出条形结构石墨烯电光调器
后，Grigorenko A N和新加坡国立大学的团队于2012年分别提出了马赫增德结构和环形腔
结构的石墨烯电光调制器，构成了目前三种主要的电光石墨烯调制结构。条形波导依靠电
调吸收实现调制，结构简单，兼容CMOS工艺，但插入损耗和器件能耗大，需要克服电极部分
的材料电阻的问题。马赫增德结构依靠Pockets效应电压调节材料的折射率，双臂干涉调整
输出光功率，光学带宽大，温度容差高。环形谐振结构电调节环内谐振效果，具有较大的消
光比和较小的器件尺寸。这些结构通过电压调控石墨烯的费米能级来改变对光的吸收特性
从而实现光调制，在调制速率(仿真计算)、调制深度、调制带宽、面积效率和功耗等方面都
展示了非常优良的性能。
硅基信号发生器在材料上具有成本低、高折射率和非线性系数等优势，从制作工
艺上兼容于成熟的CMOS工艺，利于光电集成，利用硅基设计的调制器其调制速度可以达到
几十GHz，这对硅基信号发生器同时也具有很大的意义。硅基高速信号电光信号发生器不仅
是未来光交叉互联(OXC)和光分复用(OADM)系统中的核心器件，而且在芯片光互连和光计
算技术中也具有极大的应用前景。因此，开展硅基高速光电信号发生器的研究意义重大。
需要注意的是，目前的信号发生器都是采用空间上单点的信号加载，无法充分满
足当前高速光通信系统对于调制速度的需要。将高重复频率的加载信号在空间上拆解为很
多低重复频率的加载信号，在光波导的不同位置同时加载，对载波的不同空间部分进行同
时调制同样可以得到高速产生光脉冲序列的效果，这种方法由本发明首次提出，成为空间
调制。这种空间调制的方式既解决了高速电路难以制作和成本昂贵的问题，也避免了光电
材料响应速度无法跟上电信号变化速度的问题以及高速电信号导致的系统损耗过高的问
题。同时相对于光时分复用产生高速信号的办法，采用硅基空间调制的方式器件尺寸可以
较小，耦合损耗、受环境影响大等缺点均得以改善。
发明内容
本发明提出了基于石墨烯栅层硅波导的超高速电光信号发生器，旨在超高速地产
生光脉冲序列信号。
本发明的原理：硅波导厚度较薄时，表面会产生较强的倏逝场，载波经表面倏逝场
效果扩散至石墨烯栅层中接受调制。加在器件结构两端的周期性排列的正负电极对分别向
石墨烯栅层中对应石墨烯单元同时施加电压，同时改变石墨烯层单元的费米能级，从而调
节其对所在空间位置载波的吸收能力。吸收的位置无脉冲，不吸收的位置有脉冲。由于石墨
烯层的周期性吸收并且石墨烯具有极短的响应时间，产生的脉冲序列具有超高重复频率和
超窄脉宽的特性。硅波导轴向方向大尺寸的石墨烯栅层可以同一时间点加载光脉冲信号，
降低了所需的电极阵列所加电压的变化速度，从而以很低的控制速度实现光脉冲序列信号
的超高速产生。随着石墨烯层单元的增加，所加电压的变化速度可以无限减小，更大程度地
实现从极低速电信号到超高速光信号的转化。
本发明的具体物理实现方式：该超高速电光信号发生器包括SiO2平板基底1、Al2O3
层2、铂层3、导光硅波导4、连接硅波导5、石墨烯栅层6、正电极7、负电极8。具体组合方式为：
正电极7和负电极8周期性排列至基底表面两端，主硅波导4覆于SiO2平板基底1之上靠中间
位置，表面硅波导5同样置于SiO2平板基底1之上，一端连接导光硅波导4，另一端连接负电
极8。Al2O3层2覆于导光硅波导4、连接硅波导5和SiO2平板基底1表面之上。石墨烯栅层6覆于
导光硅波导4和无连接硅波导5这一侧的Al2O3层2上直到连至正电极7。铂层3覆于石墨烯栅
层6之上，且一端连接至正电极7，另一端离导光硅波导4的距离大于500nm。Al2O3层的厚度
7nm。铂层3的厚度10nm。石墨烯栅层结构周期长度大于1.2mm。
经过上述设置，通过以较低频率调节正电极与负电极的电压差产生电信号，产生
超高速光信号，通过改变一个周期内无电压的时间长度可以控制脉冲宽度。
本发明的有益效果如下：
(1)用空间调制的方式，以很低的电信号变化速度产生了超高速的光信号。
(2)石墨烯的周期性结构可通过激光刻写的方法易于精细制作，可以精确控制相
邻脉冲间的间距。
(3)该调制器对使用环境不敏感，对温度和振动等外界因素都有很高的适应性。
(4)石墨烯作为调制材料，具有超短响应时间、超宽波长调制范围、低功耗和高面
积效率的优势。
(5)硅基集成光波导的制作与当今成熟而先进的微电子加工工艺相兼容，相比于
传统的信号发生器，更易于向器件的微型化和集成化趋势靠近。
(6)该器件尺寸非常小，极有利于集成的考虑。
附图说明
图1基于石墨烯栅层硅波导的超高速电光信号发生器。
图2实例一中的电压变化情况。
图3实例二中的电压变化情况。
图4实例一中产生的超高速光信号。
图5实例二中产生的超高速光信号。
具体实施方式
下面结合附图1至5对基于石墨烯栅层硅波导的超高速电光信号发生器作进一步
描述。
实施例一：
基于石墨烯栅层硅波导的超高速电光信号发生器，如图1所示，其特征在于：该结
构包括SiO2平板基底1、Al2O3层2、铂层3、导光硅波导4、连接硅波导5、石墨烯栅层6、正电极
7、负电极8。
具体组合方式为：正电极7和负电极8周期性排列至基底表面两端，主硅波导4覆于
SiO2平板基底1之上靠中间位置，表面硅波导5同样置于SiO2平板基底1之上，一端连接导光
硅波导4，另一端连接负电极8。Al2O3层2覆于导光硅波导4、连接硅波导5和SiO2平板基底1表
面之上。石墨烯栅层6覆于导光硅波导4和无连接硅波导5这一侧的Al2O3层2上直到连至正电
极7。铂层3覆于石墨烯栅层6之上，且一端连接至正电极7。
石墨烯栅层6的厚度0.7nm，周期长度为2mm。
主硅波导4的厚度250nm，宽600nm。
表面硅波导5的厚度50nm。
Al2O3层的厚度7nm。
铂层3的厚度10nm，与导光硅波导4的距离大于500nm。
经过上述设置，按照图2调节正电极7与负电极8的电压差产生电信号，得到如图4
的超高速光信号，电压变化速度为360MHz，一个时间周期内无电压时间为3ps，产生光信号
速度为360Gb/s，脉冲宽度为3ps。
实施例二：
基于石墨烯栅层硅波导的超高速电光信号发生器，如图1所示，其特征在于：该结
构包括SiO2平板基底1、Al2O3层2、铂层3、导光硅波导4、连接硅波导5、石墨烯栅层6、正电极
7、负电极8。
具体组合方式为：正电极7和负电极8周期性排列至基底表面两端，主硅波导4覆于
SiO2平板基底1之上靠中间位置，表面硅波导5同样置于SiO2平板基底1之上，一端连接导光
硅波导4，另一端连接负电极8。Al2O3层2覆于导光硅波导4、连接硅波导5和SiO2平板基底1表
面之上。石墨烯栅层6覆于导光硅波导4和无连接硅波导5这一侧的Al2O3层2上直到连至正电
极7。铂层3覆于石墨烯栅层6之上，且一端连接至正电极7。
石墨烯栅层6的厚度0.7nm，周期长度为2mm。
主硅波导4的厚度250nm，宽600nm。
表面硅波导5的厚度50nm。
Al2O3层的厚度7nm。
铂层3的厚度10nm，与导光硅波导4的距离大于500nm。
经过上述设置，按照图3调节正电极7与负电极8的电压差产生电信号，得到如图4
的超高速光信号，电压变化速度为360MHz，一个时间周期内无电压时间为3ps，产生光信号
速度为360Gb/s，脉冲宽度为1.5ps。