Silicon waveguide modulator with embedded phase change material
相变材料是硅光子系统中最有前途的有源元件。在这项工作中，我们设计，制造和表征的混合硅PCM光调制器。通过将二氧化钒（PCM）集成在Si光子波导内，在非谐振几何结构中，我们证明了PCM长度为500 nm的~ 10 dB宽带调制。
2017-08-10 physics.app-ph physics.optics
Wideband integrated high-speed graphene-silicon slot-waveguide electro-absorption modulator at 2 μm and 1.5 μm wavebands
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；MIT（麻省理工学院）
本研究提出并实验验证了基于石墨烯-硅槽波导的高性能电光吸收调制器，实现了2微米和1.5微米波段的宽波段、高速、高效、稳健和紧凑调制器。
2026-04-03 physics.optics
Plasmonic modulator based on gain-assisted metal-semiconductor-metal waveguide
我们研究等离子体激元调制器与增益材料实现超紧凑和超快的有源纳米器件在光子集成电路。我们分析了金属-半导体-金属（MSM）波导与InGaAsP为基础的活性材料层作为超紧凑的等离子体激元调制器。通过改变芯的增益来实现调制，这导致通过波导的不同透射率。MSM波导能够实现高场定位并因此实现高调制速度。体半导体、量子阱和量子点以水平或垂直的方式排列，被认为是MSM波导的核心。研究了波导芯尺寸和各种活性材料的增益值的依赖关系。设计还考虑了实际方面，如n和p掺杂层和势垒，以获得接近现实的结果。数值计算了MSM波导中的有效传输常数。它们在切换过程中的变化被认为是一个品质因数。我们表明，MSM波导与电流控制的增益结合紧凑性和深度调制，以及一个合理的水平的透射率。
2012-05-14 physics.optics
Propagation of Strongly Hybridized Edge Modes in Plasmonic Waveguides
在我们的工作中，我们研究了纳米级混合等离子体波导中光模的传播。基于频域麦克斯韦方程组的模拟实现了三维混合模式的特性研究。我们的分析结果被应用于设计一个先进的混合波导有用的特性。这里演示了如何将两个边缘等离子体激元与波导模式耦合，以形成针对电光晶体管（调制器）领域应用进行良好调谐的混合波导。边缘等离子体激元的混合偏振态允许它们与水平偏振（TE）光学模式（这对于通常的表面等离子体激元是不可能的）耦合，并为偏振无关等离子体激元调制器开辟了道路。
2020-12-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Plasmonic Optical Modulator based on Adiabatic Coupled Waveguides
在原子多能级系统中，绝热消除是一种通过使不相关的和强耦合的能级彼此失谐来消除它们以使系统的复杂性最小化的方法。例如，这样的三电平系统可以以三波导系统的形式被映射到物理上。如这里所提出的，主动地失谐各个波导模式之间的耦合强度允许调制传播通过器件的光。外波导充当类似于三能级原子系统的基态和激发态的有效双光子模式系统，而中心波导是部分等离子体激元。在绝热消除机制中，中间波导的振幅与外部波导相比振荡得快得多，导致场建立消失。结果，中间波导变成暗状态，并且因此尽管在这里呈现的设计中涉及等离子体激元波导，但是当实现高达70分贝的调制深度时，预期保持8分贝的低插入损耗。调制机制依赖于经由静电调谐自由载流子浓度并因此调谐驻留在等离子体中心波导中的薄ITO层的光学指数来将该波导系统从临界耦合状态切换到绝热消除状态。这改变了有效耦合长度和相位失配条件，从而改变了每个外波导中的调制。我们的研究结果表明，调制器的能量效率低至40阿焦耳每比特和消光比为50分贝。考虑到调制器的极小尺寸，所产生的集总元件有限RC延迟预计将超过200千兆赫兹。这种类型的调制器为下一代能源和速度良心光学短距离互连铺平了道路。
2017-10-04 physics.optics
Chipscale plasmonic modulators and switches based on metal-insulator-metal waveguides with Ge2Sb2Te5
我们将相变材料Ge_2Sb_2Te_5（GST）引入到金属-绝缘体-金属（MIM）波导系统中，以实现通信波段的芯片级等离子体调制器和开关。利用非晶GST和晶体GST光学特性的差异，这三种结构可以作为可重构的非易失性调制器和开关，具有良好的调制深度（14 dB）和纳秒级的快速响应时间，同时具有封装面积小、结构简单、易于制造等优点。该工作为MIM波导系统中有源器件的设计提供了新的解决方案，并可在更紧凑的信息处理和存储全光电路中找到潜在的应用。
2019-06-18 physics.app-ph physics.optics
Ultra-compact Si/In$_2$O$_3$ hybrid plasmonic waveguide modulator with a high bandwidth beyond 40 GHz
要求光调制器具有高调制带宽和紧凑的覆盖区。在本文中，我们实验证明了一种新的Si/In $_2$ O $_3$混合等离子体波导调制器，它是由硅光子波导和Si/In $_2$ O $_3$混合等离子体波导组成的非对称定向耦合器（ADC）实现的。光信号由施加在MOS电容器顶部的Au电极上的射频（RF）信号调制，该Au电极与In $_2$ O $_3$薄膜接触。首次将无硅掺杂金属氧化物In $_2$ O $_3$电容集成在3.5- $μ$ m长的非对称定向耦合器（ADC）中，实现了>40 GHz的创纪录调制带宽。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Waveguide Resonator with Integrated Phase Modulator for Second Harmonic Generation
我们报道了一种钛内扩散的锂酸盐波导谐振腔器件的二次谐波产生，该器件的腔长使用片上相位调制器锁定到基波泵浦激光器。该装置保持锁定超过5分钟，产生超过80%的初始二次谐波功率。该系统的稳定性被认为受到DC漂移的限制，DC漂移是包括沉积电极的许多锂酸盐系统中的已知效应。所提出的设备探讨了波导谐振器在这个平台中用于更大的集成网络的适用性。
2020-10-15 physics.app-ph physics.optics
Electro-optic modulator based on Vanadium dioxide epsilon-near-zero vertical nanowire triple-cavity in Silicon Waveguide
我们提出了一种电光调制器，利用一个阵列的二氧化钒纳米棒工作在近场制度作为有源开关材料集成在硅波导。该调制器利用二氧化钒的绝缘体到金属的转变，以实现19.7 dB/微米的稳健调制深度，具有宽工作波长。使用模拟，我们演示了如何有效的超材料的介电常数可以通过改变纳米棒的几何形状调整到一个接近零的值。本文还提出了一种新颖的六边形阵列设计，实现了低插入损耗，同时保持了较强的调制深度。研究结果为设计具有高工作频率和低插入损耗的超紧凑型调制器提供了参考。
2022-03-02 physics.app-ph physics.optics
Buried and ridge graphene-based silicon waveguides for broadband polarization-insensitive amplitude and phase modulators
本文提出了四种易于制作的石墨烯基硅波导调制器，以克服石墨烯基调制器的强偏振依赖性。研究了两种新结构，即两个石墨烯基埋层硅波导和两个标准脊形硅波导在通信波长$λ=1.55 μm$下的调制特性。结果表明，对于每个波导的一定宽度（高度是恒定的），振幅和相位调制明显变得偏振不敏感。对于这些优化的波导，TE和TM模式的幅度调制深度是相等的，精度为$10^{-4} dB/{μm}$。此外，在一些提出的调制器中，TE和TM模式的有效模式折射率（EMI）的实部的最大变化以优异的精度（$5\times 10^{-5}$）彼此一致。该精度值比用于确认偏振不敏感相位调制的标准标准值小得多。此外，所有的结构的性能进行了研究，为所有的光通信波长。即使不对在$1.55 μm$以适当的波长间隔设计的结构进行任何改变，该结构也表现出偏振不敏感行为。
2019-12-14 physics.app-ph physics.optics
Wide optical spectrum range, sub-volt, compact modulator based on electro-optic polymer refilled silicon slot photonic crystal waveguide
我们设计并展示了一个小型且低功率的带工程电光（EO）聚合物填充硅缝隙光子晶体波导（PCW）调制器。该EO聚合物专为高EO活性和近红外透明性而设计。PCW阶跃耦合器用于最佳耦合到频带工程PCW的慢光模式。在8 nm的光谱范围内，半波开关电压为Vπ=0.97 ± 0.02V，对应于推挽结构中的有效器件内r33为1190 pm/V，Vπ L为0.291 ± 0.006V mm。排除慢光效应，我们估计电光聚合物在槽中的极化效率为89 pm/V。
2014-03-01 physics.optics
Nanoscale Graphene Electro-Optic Modulators
对石墨烯的研究揭示了其独特的光学性质，包括与光的强耦合，高速操作和门可变光学电导率，这些都有望满足未来电光（EO）调制器的需求。特别是，最近的工作展示了一种基于石墨烯带间吸收的宽带电光调制器，其总长度仅为40μm。然而，与片上电子元件的尺寸相比，它仍然是笨重的。片上光学互连需要纳米尺度的EO调制。实现纳米石墨烯电光调制的关键是基于新型波导和平台大大增强光与石墨烯的相互作用。在此，我们提出了我们最近的探索石墨烯电光调制器的基础上，石墨烯夹在介电或等离子体波导。在适当的栅电压下，石墨烯的介电常数可以通过带内电子跃迁的作用被调节到很小，从而形成“石墨烯-缝隙波导”，极大地增强了吸收模式。基于小信号分析，在800 nm长的硅波导或120 nm长的等离子体波导内可以实现高达3dB的调制深度。它们具有纳米尺寸、小插入损耗、低功耗和潜在的高速性能等优点，并且与CMOS兼容。
2011-12-30 physics.optics
Ultra-compact modulators based on novel CMOS-compatible plasmonic materials
我们提出了几个平面布局的超紧凑型等离子体激元波导调制器，利用替代CMOS兼容材料。通过调谐透明导电氧化物层中的载流子浓度，从而在等离子体共振或非共振中调谐波导，来有效地实现调制。共振显著增加了等离子体激元波导的吸收系数，这使得能够实现更大的调制深度。我们表明，可以实现86 dB/um的消光比，允许在小于1微米的电信波长的3 dB调制深度。我们的多层结构可以潜在地与现有的等离子体和光子波导以及新型的基于半导体的混合光子/电子电路集成。
2013-08-14 physics.optics
High-Speed Electro-Optic Modulator Integrated with Graphene-Boron Nitride Heterostructure and Photonic Crystal Nanocavity
纳米级和高能效的电光（EO）调制器是光学互连的重要组件，这些组件正开始取代芯片内和芯片间通信的电线。硅基电光调制器在器件尺寸、速度、功耗和调制深度方面表现出足够的优点。然而，硅的弱电光效应仍然为这些器件设置了技术瓶颈，从而激发了基于新材料的调制器的开发。石墨烯是一种二维碳同素异形体，由于其优异的光学和电子性能，已成为光电应用的替代活性材料。在这里，我们展示了一个高速石墨烯电光调制器的基础上，石墨烯-氮化硼（BN）异质结构集成与硅光子晶体纳米腔。石墨烯在亚微米腔中的强增强的光-物质相互作用使得腔反射的有效电调谐成为可能。我们观察到的调制深度为3.2 dB和1.2 GHz的截止频率。
2014-12-19 physics.optics
High performance integrated graphene electro-optic modulator at cryogenic temperature
在低温下工作的高性能集成电光调制器是低温应用中光互连的关键。然而，现有的集成调制器在低温下遭受降低的调制效率或带宽，因为它们依赖于随温度降低而降级的调谐机制。石墨烯调制器是一种有前途的替代品，因为石墨烯的固有载流子迁移率在低温下增加。在这里，我们展示了一个集成的石墨烯基电光调制器，其在4.9 K时的14.7 GHz带宽超过了12.6 GHz的室温带宽。该调制器的带宽仅受高接触电阻的限制，在4.9K时其本征阻容限制带宽为200GHz。
2020-07-02 physics.app-ph physics.optics
Low half-wave-voltage, ultra-high bandwidth thin-film LiNbO3 modulator based on hybrid waveguide and periodic capacitively loaded electrodes
提出并实现了一种新型薄膜LiNbO 3（TFLN）电光调制器。采用LiNbO 3-SiO2混合波导，在电极间距为3 μm的情况下保持较低的光损耗，半波电压长度积仅为1.7V *cm。采用电容加载行波电极（CL-TWEs）来降低微波损耗，同时使用石英衬底代替硅衬底来实现速度匹配。制作的TFLN调制器具有5 mm长的调制区，在67 GHz以下的电光响应中，半波电压为3.4 V，仅为1.3 dB滚降，并且预测了超过110 GHz的3 dB调制带宽。
2021-02-04 physics.app-ph physics.optics
Nanoscale Field Effect Optical Modulators Based on Depletion of Epsilon-Near-Zero Films
金属氧化物半导体（MOS）电容器中的场效应在场效应晶体管（FET）中起着关键作用，场效应晶体管是现代数字集成电路的基本构建块。最近的工作表明，场效应也可以用来制作光学/等离子体激元调制器。在本文中，我们报告的场效应电吸收调制器（FEOMs）的每一个制成的ε近零（ENZ）膜，作为活性材料，夹在硅或等离子体波导。在没有偏压的情况下，ENZ薄膜使波导的衰减最大化，调制器工作在截止状态;相反，ENZ薄膜中载流子的耗尽大大降低了波导的衰减，调制器工作在导通状态。采用双电容选通方案，通过场效应增强调制。根据我们的模拟，消光比可以达到3.44 dB，在500 nm长的硅波导中，插入损耗仅为0.71 dB（85.0%）;消光比可以达到7.86 dB，在200 nm长的等离子体波导中，插入损耗为1.11 dB（77.5%）。所提出的调制器可能会在未来的片上或芯片到芯片的光互连中找到重要的应用。
2015-12-27 physics.optics
High-speed double layer graphene electro-absorption modulator on SOI waveguide
我们报道了一种基于无源SOI平台的C波段双层石墨烯电吸收调制器，其29 GHz 3dB带宽和NRZ眼图消光比范围为1.7 dB（10 Gb/s）至1.3 dB（50 Gb/s）。由于CVD预图案化单晶生长和晶片上转移方法的质量，实现了这种高调制速度，该方法允许高质量可缩放石墨烯和低接触电阻的集成。通过展示这种集成在Si光子学上的高速CVD石墨烯EAM调制器和可扩展的方法，我们相信石墨烯可以满足成为光子学竞争技术的主要要求。
2020-02-28 physics.app-ph physics.optics
Waveguide engineering of graphene's nonlinearity
石墨烯最近被证明具有巨大的非线性，然而，这种非线性的效用是有限的，由于高损耗和小的相互作用体积。我们发现，通过对石墨烯的非线性进行波导工程，我们能够显着增加非线性参数，并将开关光功率降低到亚瓦级。我们的设计利用了混合等离子体激元波导，并通过调节其费米能级来仔细操纵石墨烯的折射率。通过费米能级定制石墨烯基波导中的非线性参数的能力提供了待实现的非线性光学器件的范例。
2014-11-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Bends and splitters in graphene nanoribbon waveguides
我们研究了石墨烯纳米波导中的弯曲和分束器的性能。虽然石墨烯波导本身是有损耗的，我们表明，弯曲和分裂器不会引起任何额外的损失，只要纳米宽度是亚波长。我们使用传输线理论来定性地解释在我们的模拟中观察到的行为。我们的研究结果为实现在太赫兹区域工作的超紧凑器件铺平了一条有前途的道路。
2012-12-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Attojoule-Efficient Graphene Optical Modulators
电光调制是通过提供感知器的非线性激活功能用于信号键控、波束转向或神经形态计算的技术相关功能。由于硅基调制器体积庞大且效率低下，我们在这里讨论异质集成的石墨烯基器件。这项研究提供了一个关键的和全面的讨论石墨烯调制器的物理和性能，而不是收集相关的出版工作。我们提供了一个整体分析的调制器的基本物理，包括石墨烯指数的可调性，基本的光学模式，并讨论了这种新型的混合调制器的性能矢量。我们的研究结果表明，减少模态面积，并减少有效加宽的活性材料是关键，以提高器件性能的能量带宽和足迹的比率定义。我们进一步展示了波导偏振必须与石墨烯在平面内，例如由等离子体缝隙结构给出。通过引入多层或双层石墨烯调制器设计可以获得高器件性能。最后，我们提出了基于石墨烯的混合光子等离子体激元调制器在硅平台上的最新结果，需要接近玻尔兹曼近似（100 mV）的低驱动电压。这款100 aJ/bit调制器的物理结构紧凑，为新型阿焦耳光电子器件开辟了道路。
2018-01-15 physics.app-ph physics.optics
Comparison of gold- and graphene-based resonant nano-structures for terahertz metamaterials and an ultra-thin graphene-based modulator
石墨烯表现出独特的材料特性，在电磁波技术中，它提出了将设备小型化到原子长度尺度的前景。在这里，我们研究了由石墨烯制成的开口环谐振器超材料，并将其与金基超材料进行了比较。我们发现，石墨烯的巨大的反应性响应来自其大的动力学电感允许深亚波长共振，虽然其共振强度降低，由于更高的耗散损耗阻尼和更小的偶极耦合。然而，紧密堆叠的石墨烯环可以提供负磁导率，并且石墨烯元原子的电偶极共振变得令人惊讶地强。基于这些发现，我们提出了一种太赫兹调制器的超材料的基础上，交替图案化的石墨烯片的多层堆叠的介电间隔物分开。相邻的石墨烯片彼此偏置，导致在约90%的透射水平下超过75%的调制深度。
2014-10-20 physics.optics
Polarization-dependent all-optical modulator with ultra-high modulation depth based on a stereo graphene-microfiber structure
报道了一种基于石墨烯-微光纤立体结构（GMF）的同轴偏振相关全光纤调制器。由于独特的弹簧状几何形状，可以实现超长的GMF相互作用长度，并且对于一个偏振态，表现出~7.5 dB的超高调制深度（MD）和~0.2 dB/mW的高调制效率（ME）。其MD和ME比其他石墨烯波导混合型全光调制器的MD和ME大一个数量级以上。通过进一步优化转移和清洁过程，调制器可以快速地在透明和不透明状态之间切换，对于两种偏振状态，最大MD为数十分贝。该调制器与当前的光纤通信系统兼容，并可能在不久的将来应用于满足超快光信号处理的迫切需要。
2015-02-16 physics.optics
Bismuth ferrite as low-loss switchable material for plasmonic waveguide modulator
我们提出了新的等离子体激元调制器的设计，可用于光子集成电路中的动态信号切换。研究了以铁酸铋为有源材料的等离子体激元波导调制器的性能。铋铁氧体芯夹在金属板（金属-绝缘体-金属配置）之间，金属板也用作电极，使得芯在施加电压下通过铋铁氧体中的铁电畴的部分面内到面外重新取向来改变其折射率。这种域切换导致传播常数和吸收系数的改变，因此可以实现相位或幅度控制。由于金属层之间的高场限制以及针对芯厚度的特定值的模式截止的存在，实现了有效的调制性能，使得可以以优异的调制深度控制信号。对于相位控制方案，π相移由0.8 μm长度的器件提供，传播损耗为0.29 dB/μm。对于幅度控制，我们预测消光比可达38 dB/μm，传输损耗为1.2 dB/μm。与先前提出的活性材料相比，铁酸铋具有几乎为零的材料损耗，因此基于铁酸铋的调制器不会带来传播信号的额外衰减。
2014-07-14 physics.optics
Temperature Dependence of a Sub-wavelength Compact Graphene Plasmon-Slot Modulator
我们研究了消光比超过1 dB/um的等离子体电光调制器，通过将光模设计为与石墨烯层共面，并展示了如何降低工作温度以实现更陡峭的切换。我们展示了冷却石墨烯如何实现浸泡，从而改善动态能耗。此外，我们表明，与等离子体缝隙波导集成的多层石墨烯允许面内电场组件，和3-dB器件长度仅短至几百纳米。接近电子长度尺度的紧凑型调制器为具有最小足迹的超密集光子集成电路铺平了道路
2017-09-01 physics.app-ph physics.optics
High-efficiency graphene-silicon slot-waveguide microring modulator at 1.5 μm and 2 μm wavelength bands
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；Research Laboratory of Electronics, MIT（麻省理工学院电子研究实验室）
本文提出一种集成电光调制器，通过在紧凑硅槽波导微环谐振器上嵌入部分重叠的双层石墨烯，实现宽带大带宽和高调制效率。在1550nm处，调制器具有220Vμm的高相位调制效率，2微米波长带具有20GHz带宽和-3.36dBm的光调制幅度。
2026-04-09 physics.optics
Hybrid Electro-Optic Modulator Combining Silicon Photonic Slot Waveguides with High-k Radio-Frequency Slotlines
电光（EO）调制器依赖于光和电信号与二阶非线性介质的相互作用。对于光信号，这种相互作用可以通过使用利用高折射率波导芯和低折射率EO包层之间的界面处的场不连续性的电介质槽波导结构来强烈增强。与此相反，电信号通常通过直接邻近光波导的导电区域施加。为了避免过多的光损耗，这些区域的电导率保持在中等水平，从而导致调制带宽的固有RC限制。在本文中，我们表明，这些限制可以克服扩展的缝隙波导的概念调制射频（RF）信号。我们的器件结合了一个RF槽线，依赖于钛酸钡作为高k电介质材料与传统的硅光子槽波导和高效的有机EO包层材料。在概念验证实验中，我们演示了一个1 mm长的马赫-曾德尔调制器，该调制器提供76 GHz的3 dB带宽和110 GHz的6 dB带宽以及1.3 V的小π电压（UπL = 1.3 V mm）。据我们所知，这代表了迄今为止用基于电介质波导的硅光子调制器实现的最大EO带宽。我们进一步证明了该设备的可行性，在数据传输实验中使用四态脉冲幅度调制（PAM 4）在线速率高达200 Gbit/s。我们的第一代器件为进一步改进留下了巨大的空间，并可能为高效硅光子调制器开辟一条有吸引力的路线，该调制器将1 mm以下的器件长度与1 V以下的驱动电压和超过100 GHz的调制带宽相结合。
2020-10-20 physics.app-ph physics.optics
Design and optimization of optical modulators based on graphene-on-silicon nitride microring resonators
为了克服石墨烯与光的弱相互作用带来的高调制深度的挑战，提出并研究了一种基于石墨烯可调光学电导率的氮化硅基石墨烯（SiNx）微腔。系统地分析和优化了石墨烯/氮化硅波导的几何参数，得到了0.04 dB/μm的损耗可调谐性和0.0022的有效折射率变化。我们详细研究了石墨烯与半径为40 μ m的微环谐振器之间的相互作用，其中同时考虑了电吸收和电折射调制。通过选择合适的石墨烯覆盖率和耦合系数，获得了大于40 dB的高调制深度和较大的制造公差。
2016-10-11 physics.optics
Ultrathin Ultra-broadband Electro-Absorption Modulator based on Few-layer Graphene based Anisotropic Metamaterial
在这篇文章中，一个少层石墨烯-介质多层（超材料）电光调制器已提出在中远红外范围内的电吸收机制的工作。石墨烯，单层和少层，是一种主动可调的光学材料，其允许通过调节其化学势来控制带间和带内跃迁。利用石墨烯的这一独特特征，我们提出了多层石墨烯电介质堆叠，其中少层石墨烯优于单层石墨烯。尽管堆叠的总厚度仍然保持在纳米范围内，但是该器件可以在以下方面表现出优异的性能：（i）高调制深度，（ii）超宽带性能，（iii）由于固有的超材料特性而导致的超低插入损耗，（iv）纳米尺度覆盖区，（v）偏振独立性和（vi）集成到硅波导的能力。有趣的是，通过使用具有精心设计的超材料的几层石墨烯可实现的这些优异性能可能无法使用单层石墨烯。有效介质理论和广义传递矩阵法都验证了我们的建议。
2015-04-14 physics.optics
Nanoscale Plasmonic and Optical Modulators Based on Transparent Conducting Oxides
最近的实验表明，在金属氧化物半导体（MOS）结构中，可以通过积累电荷来实现透明导电氧化物（TCO）中的单位阶折射率变化。然而，TCO的厚度（~ 5 nm）积累层和固有吸收阻碍了这种效应的实际应用。在此，我们提出并探索了一种新的波导，即“TCO槽波导”，它结合了TCO的可调谐特性和槽波导的场增强。特别地，当槽的介电常数被调谐为接近零时，光吸收可以急剧增强。基于TCO缝隙波导，可以在200 nm内实现有效的电吸收调制，插入损耗小。
2012-05-02 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
High-performance Hybrid Lithium Niobate Electro-optic Modulators Integrated with Low-loss Silicon Nitride Waveguides on a Wafer-scale Silicon Photonics Platform
该研究在晶圆级硅光子平台上，通过异质集成将薄膜铌酸锂与低损耗氮化硅波导结合，制备出兼具高消光比、低插入损耗、超110 GHz带宽的高性能电光调制器，验证了可扩展制造的可行性。
2025-04-02 physics.app-ph physics.optics
Experimental verification of electro-refractive phase modulation in graphene
石墨烯具有可调谐和宽带的光学特性，被认为是一种很有前途的光电器件材料。在这项工作中，我们证明了在1530至1570 nm的波长在石墨烯的电折射相位调制。通过在基于硅波导的马赫-曾德尔干涉仪中集成门控石墨烯层，提取相位调制器的关键参数，如有效折射率的变化、插入损耗和吸收变化。这些实验获得的值很好地再现了模拟和设计指南，使石墨烯器件竞争当代硅基相位调制器的片上应用。
2015-03-17 cond-mat.mes-hall physics.optics
Graphene on Silicon Modulators
石墨烯是一种具有吸引人的电子和光电特性的2D材料。它是一种零带隙材料，价带和导带在动量空间中的一个点（狄拉克点）相遇。其导电性可以通过经由外部电场移动费米能级能量来改变。这一重要性质决定了在光频处的宽带和可调谐吸收。此外，它的电导率是一个复杂的量，即石墨烯表现出电吸收和电折射的可调谐性，这是光子应用的一个有趣的特性。例如，它可以作为硅波导的活性材料组合，以实现高效的检测器，开关和调制器。在本文中，我们回顾了我们在该领域的成果，重点是石墨烯基光调制器集成在硅光子平台。报道了在单层和双层电容调制器的制造中获得的结果，其显示强度和相位调制，由于适当的信号啁啾和高达50 Gb/s的操作而产生的信号对色散的弹性。
2020-03-05 physics.app-ph physics.optics
Fundamental limits and near-optimal design of graphene modulators and non-reciprocal devices
石墨烯在光子应用中的潜力被最近的调制器、偏振旋转器和隔离器的演示所证明。这些有希望的初步结果提出了关键问题：使用多层结构，石墨烯图案化，金属添加或这些方法的组合的更复杂的设计可实现的最佳性能是什么，以及如何在实践中实现这种最佳设计？如今，石墨烯参数的可变性放大了问题的复杂性，使这些新设备的设计成为耗时且次优的试错程序。我们解决这个问题，首先证明，上述设备的相关品质因数受到绝对的理论上限。引人注目的是，这些限制仅与石墨烯的电导率张量有关;因此，我们可以提供基本的路线图信息，例如最佳器件性能与波长和石墨烯质量的关系。其次，基于理论发展，物理洞察力和详细的模拟，我们展示了如何接近这些基本限制的结构可以设计，展示了显着改进的可能性。这些结果被认为对于石墨烯基调制器、旋转器和隔离器的设计至关重要，并且也直接适用于其他二维材料。
2013-08-22 physics.optics
Waveguide based Electroabsorption Modulator Performance
电光调制是数据通信的关键功能。考虑到处理的数据量巨大，了解片上调制器的复杂物理和权衡可以揭示尚未探索的性能机制。在这里，我们展示了基于波导的电吸收调制器的整体性能分析。我们的方法围绕材料特性，揭示可获得的光吸收，导致有效的模态横截面和材料加宽效应。两者合在一起完全描述了调制器的物理行为。我们考虑多个材料调制类别以包括诸如量子点的两能级吸收体、诸如ITO或硅的自由载流子积累或耗尽、诸如量子阱的半导体中的二维电子气、石墨烯中的泡利阻挡、以及诸如在过渡金属双硫属化合物中发现的二维原子分层材料中的激子。我们的研究结果表明，减少模态面积一般提高调制器的性能所定义的感应电荷的量，因此，能量每比特的功能，需要切换信号。我们发现，拓宽增加了所需的开关电荷的量。虽然一些材料类别允许减小的加宽，例如量子点和二维材料，由于它们减小的库仑屏蔽导致增加的振荡器强度，但加宽的锐度被与材料类别无关的热效应所掩盖。此外，我们发现，等离子体允许开关电荷和能量每比特功能减少约一个数量级相比，散装光子。该分析旨在指导社区根据现有和新兴材料预测预期的调制器性能。
2017-11-15 physics.app-ph physics.optics
Mid-infrared Active Graphene Nanoribbon Plasmonic Waveguide Devices
掺杂石墨烯由于其多功能的外部控制功能以及其高度压缩的石墨烯表面等离子体（GSP）波长而成为中红外波长的活性等离子体材料的强有力竞争者。在本文中，我们设计了基于电压门控非均匀介质层上掺杂石墨烯纳米带（GNRs）的电调制的有源等离子体波导器件。我们首先开发了品质因数（FoM）公式来表征无源和有源石墨烯纳米波导的性能。基于FoM，我们选择最佳GNR来构建等离子体快门，其由放置在由Si纳米柱支撑的非均匀SiO $_2$衬底上的GNR组成。模拟研究表明，对于一个简单的50 nm长的等离子体快门，调制对比度可以超过30 dB。等离子体快门被进一步扩展以构建4端口有源功率分配器和8端口有源网络，两者都基于GNR交叉结波导。对于有源功率分配器，每个波导臂处的GSP功率传输可以由所施加的栅极电压独立地控制，具有高调制对比度和几乎相等的功率分配比例。从8端口有源网络的构造中，我们看到可以将GNR交叉结波导放大为大型复杂的有源波导网络，在中红外石墨烯等离子体集成纳米电路的令人兴奋的新领域中显示出巨大的潜力。
2013-12-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Graphene-plasmon polaritons: From fundamental properties to potential applications
由于在纳米器件中控制光的独特可能性，石墨烯等离子体为纳米光子学社区开辟了新的前景，在超材料，调制器，光电探测器和传感器中具有潜在的应用。本文简要综述了石墨烯等离子体激元研究的最新进展。我们首先对石墨烯的光学性质进行一般描述，特别关注石墨烯-等离子体激元的色散。空间扩展的石墨烯的石墨烯等离子体激元的色散关系表示在带内贡献的本地响应极限。在此基础上，我们讨论了石墨烯等离子体激元的最新研究进展，重点讨论了石墨烯等离子体激元的激发、极性衬底上石墨烯中的电子-声子相互作用以及可调谐石墨烯等离子体激元在调制器和传感器中的应用。最后，我们寻求解决石墨烯等离子体的一些明显挑战和有前途的前景。
2016-06-04 cond-mat.mes-hall physics.optics
A verified equivalent-circuit model for slotwaveguide modulators
我们制定和实验验证的等效电路模型的基础上分布元件来描述行波硅有机混合（SOH）槽波导调制器的电气和电光（EO）特性。该模型允许可靠地预测的小信号EO频率响应的调制器利用纯电气测量的频率相关的RF传输特性。我们实验验证了我们的模型的有效性，我们制定了一个最佳的权衡由于自由载流子吸收（FCA），电光带宽，和π电压的SOH槽波导调制器的光损耗之间的设计准则。
2019-12-10 physics.app-ph physics.optics
Modeling of a Resonant Tunneling Diode Optical Modulator
双势垒共振隧穿二极管在单极光波导内的集成提供了宽带宽上的电增益。由于双势垒共振隧穿二极管引入的非线性效应，InGaAlAs/InP单极光波导既可用作光调制器，又可用作光探测器。模拟结果与初步实验结果一致，在1520 nm ~ 1600 nm波长范围内，器件的最佳调制深度可达23 dB，啁啾参数在-1 ~0之间。
2005-04-01 physics.ins-det physics.optics
High-Performance All-Optical Modulator Based on Graphene-hBN Heterostructures
石墨烯已经成为用于片上全光调制的超快光子材料。然而，其原子厚度限制了其与引导光学模式的相互作用，这导致每比特的高切换能量或低调制效率。尽管如此，可以通过纳米光子手段增强引导光与石墨烯的相互作用。在此，我们提出了一个实际的设计，全光调制器的基础上，石墨烯和六方氮化硼（hBN）异质结构的混合集成到硅槽波导。利用该器件，在20μm长的双层石墨烯调制器中，实现了7.3dB的高消光比（ER）、<0.6dB的超低插入损耗（IL）和<0.33pJ/bit的高能效开关。此外，该器件可执行超快开关，恢复时间<600 fs，并有可能用作具有数百GHz超高带宽的高性能全光调制器。此外，通过堆叠石墨烯-hBN异质结构的附加层，进一步增强了器件的调制效率，同时理论上保持了超快响应。所提出的设备具有非常有前途的性能指标，预计将服务于下一代光子计算系统的需求。
2022-03-27 physics.app-ph physics.optics
High sensitivity ultraviolet graphene-metamaterial integrated electro-optic modulator enhanced by superlubricity
研究了基于具有超润滑性的石墨烯等离子体超材料纳米机械系统（NEMS）的紫外电光调制系统。由于石墨烯在紫外区的强光吸收强度和基于表面等离子体的超材料结构的结合，紫外NEMS电光调制器在可见光区的调制深度接近同类调制器的8.5倍。同时，由于其极低的摩擦系数，超润滑性显著降低了UV电光调制系统的功耗。它还显著提高了调制器的响应速度，可以达到纳秒的量级。调制电压可以低于200 mV。该电光调制系统结构简单、灵敏度高，在紫外光电子器件和系统中具有重要的应用价值。
2022-02-25 physics.app-ph physics.optics physics.plasm-ph
Graphene-based plasmonic switches at near infrared frequencies
介绍了石墨烯条形等离子体激元波导近红外波段串联开关的概念、分析和设计。通过使用石墨烯的场效应来选择性地启用或禁止石墨烯条形波导的一部分上的传播来实现切换，从而分别允许良好的传输或高隔离。使用全波模拟和传输线模型与矩阵传输方法相结合，该方法考虑到由设备的不同石墨烯条形波导部分支持的等离子体激元的特性，来执行所提出的结构的电磁建模。开关的性能进行评估与不同的参数的结构，包括周围的介电介质，静电门控和波导尺寸。
2013-09-02 cond-mat.mes-hall physics.optics
Plasmonic Graphene Waveguides: A Literature Review
自2007年以来，基于石墨烯的大型研究文章因其独特的性能而在各个领域发表。在这些设计的结构中，基于石墨烯的等离子体激元波导是通信领域的有趣课题之一。在本文中，等离子体激元石墨烯波导的历史回顾。石墨烯基波导可以分为两个主要类别1-矩形和2-圆柱形波导。在这两种类别中，石墨烯可以仅电偏置或同时磁偏置和电偏置，其中石墨烯的导电性在第二种情况下变成张量。因此，我们有四个主要类别的等离激元石墨烯波导，本文进行了更精确的研究和讨论。
2018-09-26 physics.optics
Charge and Field Driven Integrated Optical Modulators: Comparative Analysis
电光调制器是许多信号处理系统的关键，必须遵守由电和光约束给出的要求。区分电荷驱动（CD）和场驱动（FD）的设计，我们回答的问题，是否可以声称的调制器的基础上新兴的电光材料的基本性能优势。根据主要指标，我们将基于电荷注入的新兴电光和电吸收调制器（诸如石墨烯、透明导电氧化物和Si）的性能与传统FD调制器（诸如基于钛酸锂和量子限制斯塔克效应的那些）的性能进行比较。我们表明，相当根本的原因，FD调制器总是优于CD在传统的波长尺度波导。然而，对于具有亚波长光学模式的波导，例如由等离子体辅助的那些，新兴的CD器件确实具有很强的竞争力。
2022-01-03 physics.app-ph physics.optics
Cryogenic Graphene-Based Phase Modulators for Quantum Information Processing
Gleb Wataghin Institute of Physics, Universidade Estadual de Campinas（圣保罗州立大学格莱布·瓦塔金物理研究所）；Brazilian Nanotechnology National Laboratory (LNNano), Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM)（巴西国家纳米技术实验室，巴西能源与材料研究中心）；Programa de Pós-Graduação em Física, Instituto de Física, Universidade Federal de Mato Grosso（马托格罗索联邦大学物理学院物理学研究生项目）
本文提出了一种紧凑型双层石墨烯电光相位调制器，通过电磁模拟和石墨烯导电性分析，展示了极低温操作如何提升性能，实现低损耗、紧凑型量子光子学集成系统。
2026-04-30 physics.optics quant-ph
Recirculating Light Phase Modulator
高效率和紧凑的覆盖区是电光调制器的期望特性。在本文中，我们提出，理论研究和实验证明了一种循环相位调制器，它增加了调制效率的光场调制几次在非谐振波导结构。光的“再循环”是通过将离开相位调制器的光路循环回来并将其耦合到高阶波导模式来实现的，高阶波导模式然后重复其通过相位调制器的通道。通过将光循环回两次，我们能够展示一种再循环相位调制器，其需要低九倍的功率来产生与单程相位调制器相同的调制指数。这种调制效率提高的方法是有前途的先进的可调谐电光学频率梳发生器和其他电光器件的设计与定义的工作频率带宽。
2022-07-29 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic modulator optimized by patterning of active layer and tuning permittivity
研究了一种可应用于光子集成电路的超小型等离子体激元调制器。该调制器是一个金属-绝缘体-金属波导，具有额外的超薄氧化铟锡（ITO）层。偏压通过用作电极的金属板施加到多层芯。外场改变了超薄ITO层中的载流子密度，从而影响其介电常数。金属-绝缘体-金属系统具有等离子体激元共振，并且其受到有源层的介电常数的变化的强烈影响。为了提高性能的结构，我们提出了几个优化。我们研究了ITO介电常数对调制器性能的影响，并指出了合适的值。我们分析了波导结构的本征模，并指定其有效操作的范围。我们发现，用一维周期性条纹代替连续有源层可以提高器件的透射率，并使调制器的性能保持在相同的水平。分析了图案尺寸和有源材料填充因子对光栅结构的影响，并找到了最佳参数。图案化ITO层使我们能够在波导中设计布拉格光栅。光栅可以打开和关闭，从而调制来自结构的反射。所考虑的结构与电气控制具有高性能，并可以有效地工作作为纳米光子架构中的等离子体元件。
2012-07-20 physics.optics
Cryogenic electro-optic modulation in titanium in-diffused lithium niobate waveguides
锂离子电池是集成量子光学的一个很有前途的平台。在这个平台中，我们的目标是有效地操纵和检测量子态结合超导单光子探测器和调制器。超导单光子探测器的低温操作决定了在相同操作条件下电光调制器的优化。为此，我们在环境温度和低温下都测试了相位调制器、定向耦合器和偏振转换器。这些调制器的工作电压$V_{π/2}$由于电光效应的降低而增加，对于相位调制器降低74%，对于定向耦合器降低84%，对于偏振转换器降低35%，低于8.5 $\,\mathrm{K}$。相位调制器保持其宽带特性，并在所表征的波长范围内调制光。定向耦合器的未偏置条状态改变了85 $\,\mathrm{nm}$的波长偏移，同时将器件冷却到5 $\,\mathrm{K}$。偏振转换器使用周期性极化来相位匹配两个正交偏振。当冷却到5 $\,\mathrm{K}$时，所用极化的相位匹配波长改变112 $\,\mathrm{nm}$
2022-02-01 physics.optics quant-ph
Design and Analysis of Nonvolatile GSST-based Modulator Utilizing Engineered Mach-Zehnder Structure with Graphene Heaters
光子集成电路（PIC）是片上光学技术的基础。Mach-Zehnder调制器是PIC的有吸引力的构建块，其主要依赖于材料中的弱且易挥发的光学效应。相比之下，相变材料，如GSST是有前途的候选人，以实现高效和非易失性可重构光学器件。然而，相变材料的相变伴随着其折射率虚部的大的变化，这使得MZM的设计具有挑战性。在本文中，两个有趣的设计方法命名为损失平衡和预均衡提出了高性能的GSST基于MZM。在这方面，提出了一种具有石墨烯作为微加热器的基于GSST的波导，其在所介绍的两种方法中起到可配置有源波导的作用。
2023-03-01 physics.app-ph physics.optics
Graphene Metamaterials Based Plasmon-Induced Terahertz Modulator for High-Performance Multiband Filtering and Slow Light Applications
本研究提出基于多层石墨烯的可调谐太赫兹等离子体调制器，通过FDTD模拟验证其具备高群延迟、大消光比等优势，在慢光、多频滤波等领域有应用潜力。
2023-09-04 physics.optics quant-ph
Etching Properties of PIN-PMN-PT and its Integration in Electro-Optic Phase Modulators
该研究系统表征PIN-PMN-PT晶体的湿法、反应离子和离子束刻蚀特性，并据此制备薄膜、单模脊形波导及集成电光相位调制器，获得19.2 V·cm的$V_πL$。
2024-09-06 physics.optics
Ultra-low voltage resonant tunnelling diode electroabsorption modulator
将双势垒共振隧穿二极管（RTD）嵌入到单极性InGaAlAs光波导中，在1550 nm左右的光波长处产生了非常低的驱动电压的电吸收调制器（EAM）。波导芯内RTD的存在在波导的电流-电压（I-V）特性中引入了高非线性和负微分电阻。这使得波导芯上的电场分布强烈地依赖于偏置电压：当电流从峰值减小到谷值时，耗尽芯上的电场增加。耗尽层中的电场增强导致Franz-Keldysh吸收带边发生红移，这是电吸收效应的原因。低至100 mV的高频交流信号可诱导电场高速切换，从而在略低于波导芯带隙能量的光子能量下产生显著的光调制（高达15 dB）。该器件与传统p-i-n型EAM之间的关键区别在于RTD的隧穿特性用于切换穿过纤芯耗尽区的电场; RTDEAM本质上具有集成电子放大器，因此需要相当少的切换功率。
2005-03-11 physics.ins-det physics.optics
Dispersion Control in Micromechanical Evanescent Optical Modulators
University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Obsidian Sensors（黑曜石传感器）
本文提出了一种新型微机电蒸发光调制器，通过机械插入介质 slab 到波导的蒸发场中，实现异常色散调制，展示了对波导模式有效折射率的正调制和群折射率的负变化，为光子系统集成提供了新方法。
2026-04-09 physics.optics
Integrated ultra-high-performance graphene optical modulator
随着对大量数据处理、传输和存储的需求的增加，在当今的光电子器件中优化高速和能耗之间的权衡变得越来越困难。将异质材料集成到基于硅和氮化物的光子学中已经显示出高速的前景，尽管代价是毫米到厘米级的足迹。对结合高速、能效和紧凑性以支持高片上组件密度的电光调制器的追求仍在继续。本文使用集成在硅光子平台上的双层石墨烯光调制器，我们能够实现60 GHz的速度（3 dB滚降）、微米级的紧凑性和2.25 fJ/bit的效率。垂直分布布拉格反射器腔进一步提高了电光响应，这将驱动电压降低了约40倍，同时保持了足够的调制深度（5.2 dB/V）。小型、高效和快速的调制器允许高光子芯片密度和性能，这对于信号处理、传感器平台以及模拟和神经形态光子处理器至关重要。
2022-02-28 physics.app-ph physics.optics
