摘 要

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。这种二维材料具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯吸收白光的效率能达到2.3%，一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度，单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。石墨烯还具有零带隙结构、超高载流子迁移率等特点，它的这些有趣的特性使它在光调制器研究中备受瞩目。

本文先介绍了光调制器和自从2012年后基于石墨烯的电光调制器的发展，并对研究现状进行了分析；详细介绍了石墨烯的理论，包括能带结构和因此产生的各类奇特的特性。正因为石墨烯的这些特性，使石墨烯能与光发生十分强烈的相互作用，从而使得基于这些原理制成的光调制器能够拥有优于传统光调制器的特点，例如低能耗、调制效率高、大消光比、器件体积小等。

然后介绍了石墨烯光调制器的工作机理，解释了为何对石墨烯外加驱动电压就能改变石墨烯与光的相互作用能力。随后使用Rsoft软件对不同的条形光波导结构进行仿真分析。得出结论，使石墨烯靠近光场的最强处能够增强使石墨烯与光的相互作用，并且提高调制器的性能。

最后，通过比较不同层数的石墨烯波导结构验证了石墨烯对光的吸收能力与层数呈线性关系。基于以上的实验结论，提出了一种四层的石墨烯光调制器并优化了其性能。通过对其参数进行计算证明了石墨烯调制器具有消光比大、调制效率高和插入损耗低的优势。

关键词：石墨烯；光波导；Rsoft；模式功率损耗

Abstract

Graphene is a planar film composed of carbon atoms in sp2 hybrid orbital hexagonal type honeycomb structure with only one carbon atom thickness. This two-dimensional material has excellent optical, electrical, and mechanical properties and has important application prospects in materials science, micro-nano processing, energy, biomedicine, and drug delivery, and is considered to be a revolutionary material in the future. Graphene absorbs white light efficiently up to 2.3%. A single atomic layer should not have such a high opacity. The unique electronic properties of monolayer graphene cause this surprisingly high opacity. Graphene also has the characteristics of zero bandgap structure, high carrier mobility, etc. These interesting characteristics make it attractive for optical modulator research.

This paper first introduces the development of optical modulators and graphene-based electro-optic modulators since 2012, and analyzes the current research situation. The theory of graphene is introduced in detail, including the energy band structure and the various types of unique characteristic. Because of these characteristics of graphene, graphene can interact with light very strongly, so that an optical modulator based on these principles can have characteristics superior to conventional optical modulators such as low power consumption, high modulation efficiency small device size and so on.

Then, the working mechanism of the graphene light modulator is introduced, and why the graphene-light interaction ability can be changed by applying a driving voltage to the graphene. Rsoft software was then used to perform simulation analysis of different stripe optical waveguide structures. It was concluded that making graphene near the strongest light field enhances the interaction of graphene with light and enhances modulator performance.

Finally, the graphene waveguide structure of different layers was verified to verify the linear relationship between the light absorption ability of graphene and the number of layers. Based on the above experimental results, a four-layer graphene light modulator was proposed and its performance was optimized. By calculating the parameters, it is proved that the graphene modulator has the advantages of low energy loss, large extinction ratio, high modulation efficiency and low insertion loss.

Keywords：Graphene; optical waveguide; Rsoft; mode power loss

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 光调制器概述 2

1.3 电光调制器分类 2

1.4 基于石墨烯的电光调制器的研究进展 2

1.4.1 基于石墨烯的条形波导结构电光调制器 2

1.4.2 基于石墨烯的M-Z结构电光调制器 6

1.4.3 基于石墨烯的环形腔结构电光调制器 8

1.5 研究现状分析 10

1.6 本文的结构 10

第2章 石墨烯理论及软件介绍 11

2.1 石墨烯材料结构及特性 11

2.1.1 石墨烯的能带结构 11

2.1.2 电导率和弹道传输 12

2.1.3 熔点和稳定性 13

2.1.4 高透明度 13

2.1.5 导热系数 14

2.2 石墨烯制备方法 14

2.2.1 Top–down方法 14

2.2.2 Bottom–up生长法 14

2.2 Rsoft软件介绍 16

第3章 石墨烯光波导结构设计与分析 17

3.1 光波导基本结构 17

3.2 光波导的几何分析 17

3.2.1 波导结构 17

3.2.2 波导光线 18

3.2.3 导波条件 18

3.3 石墨烯光调制器的基本理论 18

3.3.1 石墨烯光调制器工作原理 18

3.3.2 石墨烯的参数与其化学势的关系 19

3.4 石墨烯放置位置的对调制性能的影响 22

3.4.1 石墨烯置于波导表面时性能分析 22

3.4.2 石墨烯置于波导中间时性能分析 23

3.4.3 石墨烯置于波导下方时性能分析 25

3.5 本章小结 27

第4章 多层石墨烯条形光波导设计与性能分析 28

4.1 三层石墨烯光波导性能分析 28

4.2 四层石墨烯光波导性能分析 29

4.3 石墨烯层数对光波导性能的影响 30

4.4 多种四层石墨烯条形光波导设计与损耗分析 31

4.4.1四层石墨烯光波导设计 31

4.4.2石墨烯光波导性能分析 33

4.5 本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

致谢 36

绪论

1.1 研究背景及意义

在信息化快速发展的今天，人们对硬件处理速度和信息传输速度提出了越来越高的要求，同时也是对集成电路上的集成度要求更高。自从晶体管问世，随着摩尔定律的发展，集成电路的特征尺寸不断减小。而带芯片中片内信号传输RC延迟按互连线尺寸的平方来增加，因此对于工艺节点在90nm以下时，微处理器的门延迟时间已经低于芯片间的电互连通讯延迟，所以芯片或者内核间的互连延迟成了限制性能的瓶颈^[1]。

在1984年由GOODMAN提出了一种新型的互连方式，既片上光互连概念。它具有许多优点，损耗小、无干扰性、高度的并行性和时空带宽积高等。在过去的三十多年里，光互连技术取得了诸多发展。在各种光互连研究方向中，硅基光子学是最有意义的方向。因为一方面作为半导体的硅可以制成硅基光电子器件并且制备工艺与CMOS工艺兼容，不需要随着技术升级而进行大范围的生产设备更换，成本和市场优势显著；另外一方面在于硅材料在光通信波段中也有十分优异的光学特性：高折射率、低吸收损耗，易于制备高性能光互连波导等。

随着高性能计算机和光通信快速发展的需求，片上光互连技术成为了急需解决的关键技术。作为硅基光子器件的基础单元，硅基纳米光波导在将光波局域到小于波长的波导层中的同时，还能通过波导表面的倏逝波和其他波导耦合，进行信号的耦合，利用环形纳米光波导构成的环形波导谐振腔和非线性等特殊光学性质可以实现硅基的高性能光电探测器、光电调制器、光学滤波器等光芯片中的重要部件^[2]。

石墨烯自从2004年被发现以来，以其独特的机械、电子、光学等特性而备受关注。石墨烯（Graphene），一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。其在电子和光学中的杰出特性使信号的探测、调制、发射和传输可以在同种材料中完成。相比包括硅的Ⅲ-Ⅴ半导体，它有更加优秀的性能，比如相当高的光损伤阈值（比砷化镓和硅高几个数量级），相当高的导热系数（比砷化镓高一百倍，比硅高35倍），还有相当高的三阶光学非线性系数（约107seu）^[3]。

这些对作为光电子器件的材料十分重要。因此，石墨烯作为光电子器件材料，表现出更加优秀于硅基材料的性能而被认为是下代光电子器件的材料，具有十分令人期待的前景。而基于波导的光电子器件，例如光调制器，在光电子器件中的地位十分重要，本文研究的目的是研究石墨烯条形光波导中的损耗，分析波导特性最后发掘它的应用价值。

1.2 光调制器概述

文光调制器是高速短程光通信的关键器件，是最重要的集成光学器件之一。光束可以在自由空间上传播，或者通过光波导（光纤）传播。取决于被操纵的光束的参数，调制器可以被分类为振幅调制器，相位调制器，偏振调制器等。通常获得光束强度调制的最简单方式是调制驱动光源的电流例如激光二极管。与由光调制器执行的外部调制相反，这种调制称为直接调制。由于这个原因，光调制器，例如光纤通信，称为外部光调制器。

1.3 电光调制器分类

根据用于调制光束的材料的特性，调制器被分成两类：吸收调制器和折射调制器。在吸收调制器中，材料的吸收系数被改变，在折射调制器中材料的折射率被改变。

通过Franz-Keldysh效应，量子限制斯塔克效应，激子吸收，费米能级的变化或自由载流子浓度的变化可以调节调制器中材料的吸收系数。通常，如果几个这样的效应一起出现，调制器被称为电吸收调制器。