圖1 石墨烯波導相位調制器示意圖。(a)三維結構；(b)橫截面結構。

**1. **導讀

光波導相位調制器是集成光通信系統的核心器件，在高速光通信、光互連及集成光子系統等領域中有著廣泛的應用。然而，受制于傳統電光材料的能帶間隙、電子遷移率等固有極限，傳統鈮酸鋰、硅等調制器在調制效率、調制帶寬(速率)等方面性能仍較低，難以滿足高速光通信技術快速發展的需求。石墨烯因具有獨特的二維結構、零帶隙電子能帶和優異的力學、熱學、電學和光學性能，被認為是最有潛力的電光材料之一，為寬帶高效電光調制器的研發帶來了新的機遇。

近日，廈門大學電子科學與技術學院葉龍芳副教授研究團隊在Nanophotonics發表最新文章，提出了一種寬帶高效的近紅外石墨烯波導相位調制器的設計方案。如圖1所示，通過引入雙半圓形金屬納米條帶混合等離激元波導結構，可大幅提升光與石墨烯之間的相互作用并能實現良好的極化匹配，從而極大提升了該器件的相位調制性能。理論與模擬研究結果表明，所提出的石墨烯相位調制器具有調制效率高、插入損耗低、調制帶寬大、能耗低等優點。該研究成果為新一代寬帶高效石墨烯波導相位調制器的開發提供一條新思路，在未來高速光通信、光互連及集成光子系統的應用中具有重要價值。

**2. **研究背景

石墨烯具有獨特的二維結構、優異的電光特性與易于調節的電磁參數，并可與CMOS工藝技術兼容等優點，研究基于石墨烯的電光調制器已成為當前電光調制技術領域的前沿熱點之一。然而，目前石墨烯調制器的研究尚處于起步階段，多數現有的石墨烯波導調制器存在著光與石墨烯互作用弱、調制效率低、帶寬窄、能耗高、指紋面積大等問題，亟待解決。表面等離激元能夠突破衍射極限，實現深亞波長局域電磁增強效應，可用于提升光與石墨烯之間的相互作用。基于此，若能夠通過探索石墨烯-介質/金屬復合波導調制器新結構，融合石墨烯材料優勢與表面等離激元效應機制，則有望突破現有器件中光與石墨烯相互作用弱這一技術瓶頸，解決調制效率與插入損耗相互制約的設計難題，設計出兼具寬帶、高效、低功耗等優點的新型石墨烯波導調制器，對推動電光調制技術的發展及應用具有重要的科學意義。

**3. **創新研究

為了克服石墨烯波導相位調制器中光與石墨烯之間存在的極化失配、相位調制與插入損耗相互制約的問題，廈門大學葉龍芳團隊提出了一種基于雙半圓形金屬納米條帶混合等離激元石墨烯波導相位調制器。通過模擬仿真研究表明，如圖2所示，所設計的石墨烯相位調制器具有極強的亞波長電場局域增強效應，并且其導波模式電場的主要分量為與石墨烯平面平行的Ex和Ez，實現了良好極化匹配，顯著增強了光與石墨烯之間的相互作用，極大提升了調制器的調制效率。不僅如此，如圖3(a)所示，隨著石墨烯化學勢從0.55 eV變化到0.75 eV，該長度為20 μm的石墨烯波導相位調制器的相位從0大范圍線性變化至1.86π，而其衰減常數維持在0.31 dB/μm幾乎不變，解決相位調制與插入損耗相互制約的問題。特別地，這些石墨烯波導相位調制器的優異特性與雙半圓形金屬納米條帶引入的表面等離激元增強效應密切相關，與沒有金屬納米條帶的調制器結構相比(見圖3(b))，無論是在相位調制效率還是在插入損耗方面都有明顯的優勢。

圖2 石墨烯波導相位調制器的電場分布圖

圖3 石墨烯波導相位調制器的相位變化和衰減常數。(a)有金屬納米條器件的相位變化和衰減常數曲線；(b)無金屬納米條器件的相位變化和衰減常數曲線。

隨后，研究人員將該石墨烯波導相位調制應用于馬赫-曾德爾干涉儀結構中，如圖4所示，通過對兩臂施加不同偏置電壓的方式，實現將相位調制轉化為精準的幅度調制。當設置一臂的電壓為4.52 V (對應石墨烯化學勢為0.55 eV)而另一臂電壓為5.93 V (對應石墨烯化學勢為0.65 eV)時，馬赫-曾德爾干涉儀可實現VπLπ低至118.67 V μm、消光比可達80 dB以上，顯示了極高的相位調制效率。

圖4 基于石墨烯波導相位調制器的馬赫-曾德爾干涉儀。(a)結構示意圖；(b)器件傳輸率與石墨烯化學勢之間關系曲線。

此外，該團隊還研究了石墨烯波導相位調制器的3 dB調制帶寬特性，通過采用等效電路方法研究表明，調制器的調制帶寬主要取決于等效的石墨烯電阻、電極接觸電阻和石墨烯平行板電容。由于導波模式電場主要束縛于雙半圓形金屬納米條帶狹縫亞波長區域中，通過減少石墨烯平行板電容中的石墨烯重疊部分寬度，可以減小調制器的電容，進一步增大調制帶寬。如圖5所示，當石墨烯重疊部分寬度由600 nm 減小至110 nm，器件調制帶寬將從67 GHz提升到370 GHz，而幾乎不影響其調制效率和插入損耗。

圖5 減小石墨烯重疊面積的石墨烯波導相位調制器。(a)橫截面結構與等效電路圖；(b)相位變化和衰減常數曲線。

**4. **應用與展望

研究團隊提出的基于雙半圓形金屬納米條帶混合等離激元石墨烯波導相位調制器，得益于良好的極化匹配與極強的光與石墨烯相互作用，能夠實現兼具大寬帶、高效率、低插損、低能耗等優越的相位調制特性，在未來高速光通信、光互連以及集成光子系統等領域有廣闊的應用前景。

該研究成果以“ Broadband high-efficiency near-infrared graphene phase modulators enabled by metal-nanoribbon integrated hybrid plasmonic waveguide ”為題在線發表在Nanophotonics。