石墨烯光调制器设计

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随着硅基半导体工艺尺寸的不断提高,物质的量子效应逐渐显现,量子隧穿使得集成电路工作不稳定。近些年随着光纤通信技术通信的迅速发展,近代光学研究的不断深入,使集成光电半导体成为可能,为集成芯片的发展提供了新的道路。电光调制器作为光电集成芯片的核心器件,近年来受到学者的广泛关注。近些年各种类型的电光调制器被设计出来,但这些调制器仍存在一些问题,首先是器件尺寸过大,器件尺寸与器件性能兼顾不佳。其次是驱动电压较高,无法实现电芯片直驱。针对发现的问题本文从电光调制器一阶电光效应原理出发,分析出调制单元电极与波导的耦合系数可以通过双波导堆叠的方式得到极大的增强,从而设计了双波导堆叠式光调制单元,并对设计的调制单元进行了理论推导和仿真验证,实现了将调制单元长度缩小至1mm,宽度缩小至5um。又通过对电极电场进行分析得出了集总电极设计的参考公式及场强分布图,为电极的设计提供了更加准确的理论依据。为匹配本文设计的电光调制器单元,设计了适用于双波导堆叠结构的耦合器、分束器。首先对现有的三种分束器进行分析,总结出三种分束器的优缺点,并通过改进二维Y型分束器结构,设计出了适用于双波导堆叠结构的三角分束器、耦合器结构。并通过仿真验证了设计方案的可行性,实现了对立体波导结构的分束与耦合。本文最后利用所设计的电光调制单位及分束器耦合器设计并仿真了一种高速低功耗立体石墨烯调制器。调制器整体长度为1.14mm,宽度为10um,高度为4.3um。调制器半波电压为5.5V,消光比为-18d B,插入损耗为1.15dB,回波损耗为-44.8dB,调制深度为0.015,调制带宽为58.8GHz。
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