NSO综述：硅基石墨烯光学调制器

近日，上海交通大学苏翼凯教授团队的邱辞源老师等在《国家科学进展》（National Science Open, NSO）发表综述文章，总结了硅基石墨烯光学调制器的进展。文章讨论了硅基石墨烯光调制器的基本原理，总结了目前的电光、热光调制器的进展，同时还对这方面器件在光通信、光计算等领域的未来前景做了展望。

该文首先针对硅-石墨烯的复合波导做了模场分析，其次基于该模场结构，结合石墨烯的介电常数-费米能级变化特性研究了复合波导的有效折射率随着费米能级变化的趋势，论证了电光调制器的基本原理。同时基于该复合波导，论文研究了石墨烯作为加热器的热学分布，分析了硅受热折射率变化引起复合波导有效折射率变化的基本原理，研究了对应的热学调制过程。

硅基石墨烯复合波导结构图和对应的模场分布

基于上述原理，论文总结了目前硅基石墨烯在片上电光调制方面的进展。针对片上电光调制器，论文从石墨烯的层数（单层、双层）和器件结构（波导、微环、马赫曾德尔结构）进行展开，分类汇总了对应器件的速度、功耗和尺寸等特性，并对高速强度调制、相位调制等应用做了一些研究，同时基于加工工艺对上述器件的性能做了分析，研究了性能提升的方向。

硅基-单层石墨烯片上电光调制器

其次，针对空间光学电光调制器，该论文总结了目前基于光子晶体、高对比度光栅等结构的硅基石墨烯空间光学调制器的进展，分析了对应结构的难点和加工方式，并研究了目前空间光学调制器速度和功耗限制原因，同时从物理结构和材料特性上指出了提升器件电光速度的方法。

硅基-石墨烯自由空间电光调制器

再次，针对石墨烯热光调制器，论文总结了目前基于微环、光子晶体结构和石墨烯微型加热器结合的工作，基于器件结构和热学传导原理分析了对应的热调速度和热调效率等特性，论证了通过间隔层(Spacer)减小石墨烯吸收引起的光学损耗的方法，并进而总结了目前的热光调制器件特性。

硅基-石墨烯热光调制器

最后，该论文讨论了未来高速、低功耗、小尺寸石墨烯光学调制器的发展趋势，分析了目前石墨烯光学调制器在加工工艺和器件设计方面的难点，并同时指出了其在光通信、光计算领域的重要发展前景。

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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