本發(fā)明屬于通信用硅基器件領(lǐng)域，特別涉及電光任意波形發(fā)生器。

背景技術(shù)：

任意波形發(fā)生器是產(chǎn)生受控產(chǎn)生任意波形的器件。本發(fā)明提出的電光任意波形發(fā)生器，在許多領(lǐng)域有著潛在的應用前景，滿足下一代網(wǎng)絡(luò)對于超高速傳輸速率和超快帶寬的需求：如任意波形光脈沖oawg可以產(chǎn)生寬帶微波信號，比如適合通信的高斯信號以及能量效率較高的波形；oawg可以提供復雜的全光矢量調(diào)制格式，如qam、qpsk、dpsk、dsb-sc等，提高傳輸頻譜效率；oawg可以對接收信號進行色散補償，提高信號質(zhì)量；oawg可以進行太赫茲信號合成，適應超高速通信系統(tǒng)；oawg在全光報文分組網(wǎng)絡(luò)中善生光標簽；以及產(chǎn)生任意微波信號，如多通道時分復用的射頻任意波形。

目前，可以從頻域和時域兩個角度實現(xiàn)來控制光波形。頻域方法主要基于衍射光柵、陣列波導和光纖光柵等器件。基于衍射光柵的方法利用衍射光柵將輸入光脈沖的頻譜成分在空間上進行分離，光脈沖形狀由掩膜版在頻域上的傅里葉變換模式?jīng)Q定。固定掩膜版無法實時調(diào)控，而用可編程的光調(diào)制器替代可以對不同空間位置的光進行幅度和相位調(diào)節(jié)，然而實現(xiàn)任意波形的輸出要求空間光調(diào)制器具有較高的調(diào)制帶寬和空間分辨率?；陉嚵胁▽У姆椒ㄕ蔚淖V線數(shù)量受到其自由光譜范圍的限制，目前最多為49條，同時相鄰通道間色度的干擾也是在頻域中無法避免的?；诠饫w光柵的整體結(jié)構(gòu)有利于構(gòu)建簡單低損耗的全光系統(tǒng)。由于具有復雜反射譜的光纖光柵制作難度較高，naumk.berger等人級聯(lián)均勻光纖布拉格光柵，并設(shè)計了各光柵的反射率、時延和相移。其他產(chǎn)生任意波形的方法還有：色散補償光纖結(jié)合電光相位調(diào)制器；基于微波光子濾波器(mz干涉儀結(jié)合電光調(diào)制器)；產(chǎn)生任意形狀控制電脈沖控制激光；利用交叉相位調(diào)制中產(chǎn)生的非線性相移和光纖環(huán)境對光脈沖整形；利用非線性高雙折射光纖實現(xiàn)脈沖整形；以及脈沖堆積等辦法。

頻域波形控制方法在實際應用中對于外界環(huán)境有較高的要求，分布在空間中的不同頻率成分很難對于環(huán)境噪聲有相同的響應，影響了控制的準確性。很多情況下頻域的方法是對各波長分別進行相位操作，這要求器件制作有很高的精度。同時，頻域方法基于光梳輸入，這對光梳的數(shù)量和頻率間隔都有要求。采用合適的時域方法可以有效地減小環(huán)境的影響，同時降低器件的制作難度?；谡{(diào)制器的時域方法要求調(diào)制器具有超快的響應速度、調(diào)制深度和很小的尺寸，以石墨烯為代表的二維材料是很好的選擇。

石墨烯是由碳原子以sp²雜化軌道組成正六邊形呈蜂窩狀晶格的二位氮原子層平面晶體薄膜，具有獨特的光學和電學特性，例如石墨烯的飽和吸收特性和超快載流子躍遷和弛豫過程?；谶@些特性研制的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明電極和導電薄膜已經(jīng)被實驗演示或商品化。其中，基于石墨烯的光調(diào)制器在調(diào)制速度方面展現(xiàn)了其他材料調(diào)制器無法比擬的優(yōu)勢，使實現(xiàn)高集成度、超高速、寬帶寬的電光調(diào)制器成為可能?；谑┑碾姽庹{(diào)制器都是通過外加電場控制石墨烯的費米能級，從而引起石墨烯的帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷，使得石墨烯的電導率發(fā)生變化，因此改變了石墨烯對載波的傳輸和吸收特性來實現(xiàn)光信號的調(diào)制，同時石墨烯超快的載流子弛豫速度可以使得調(diào)制速度非?？臁３瑢挷ㄩL調(diào)制范圍，大調(diào)制深度，低功耗和高面積效率也是石墨烯給予全光調(diào)制的優(yōu)點。

硅基調(diào)制器在材料上具有成本低、高折射率和非線性系數(shù)等優(yōu)勢，從制作工藝上兼容成熟的cmos工藝利于光電集成，近年來發(fā)展突飛猛進，調(diào)制速度可以達到幾十ghz。硅基高速電光調(diào)制器不僅是未來光交叉互連(oxc)和光分插復用(oadm)系統(tǒng)中的核心器件，而且在芯片光互聯(lián)和光計算技術(shù)中也具有很大的應用前景。因此，開展硅基高速電光調(diào)制器的研究意義重大。

需要注意的是，目前的調(diào)制器都是采用空間上單點調(diào)制的方式，無法充分滿足當前高速光通信系統(tǒng)對于調(diào)制速度的需要。將高重復頻率的調(diào)制信號在空間上拆解為很多低重復頻率的調(diào)制信號，在光波導的不同位置同時加載，對載波的不同空間部分進行同時調(diào)制同樣可以得到高速調(diào)制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱為空間調(diào)制。這種空間調(diào)制的方式既解決了高速電路難以制作和成本昂貴的問題，也避免了光電材料響應速度無法跟上電信號變化速度的問題以及高速電信號導致的系統(tǒng)損耗過高的問題。同時相對于光時分復用產(chǎn)生高速信號的辦法，采用硅基空間調(diào)制的方式器件尺寸可以較小，耦合損耗大、受環(huán)境影響大以及對于幅度調(diào)制的局限性等缺點均得以改善。

上述石墨烯硅波導的電光任意波形發(fā)生器在空間上對不同位置的光載波進行不同的吸收，實現(xiàn)時域上任意光波形的產(chǎn)生，具有上述石墨烯空間調(diào)制器的所有優(yōu)點，是它的一種應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了石墨烯硅波導的電光任意波形發(fā)生器，目的是精確產(chǎn)生無限定范圍任意需要的各種波形。

本發(fā)明基本原理：硅材料是一種具有較高的折射率的半導體材料，對光的限制作用強，能將其中通過的光較好的限制于脊形結(jié)構(gòu)的調(diào)制器中心，在光強強度最大處加入若干層石墨烯，增大光與石墨烯耦合面積，提高耦合效率，使通過波導中心的光載波在石墨烯層中接受調(diào)制。此外，在硅層之間加入六方氮化硼(hbn)，使得器件的電容電阻時間常數(shù)降低，使調(diào)制深度與調(diào)制速度得到大幅度提升。硅基調(diào)制器兩側(cè)的正負電極分別向石墨烯層單元同時施加電壓，同時改變整個石墨烯單元的費米能級，改變石墨烯對光的吸收特性，從而調(diào)節(jié)其對所在位置載波的吸收能力。將任意所需波形拆解編輯為隨時間變化的電信號，將變化的電信號由各個電極分別施加在石墨烯層上，使石墨烯層的吸收特性在沿硅波導延伸方向形成與空間電信號陣列相同的空間分布，對載波進行可調(diào)的多位置同時吸收。石墨烯超短的載流子馳豫時間使各個位置載波被吸收形成的波形具有以下特點：幅度可由其位置電信號控制，形狀非常接近矩形，但寬度只有微米級，故可近似為曲線。各個位置經(jīng)吸收的載波的波形按空間順序組合形成波包，即產(chǎn)生了所需的波形。

本發(fā)明具體物理實現(xiàn)方式：該任意波形發(fā)生器包括脊形波導調(diào)制器1、若干石墨烯柵層2、正電極陣列3、負電極陣列4、平面基底5、hbn層6。組合方式：該脊形波導調(diào)制器結(jié)構(gòu)用絕緣體上硅soi作為基底，若干層石墨烯與hbn層插入脊形波導中部，頂層蒸鍍一層多晶硅，正負電極陣列在硅波導兩側(cè)與石墨烯層相連，形成一個調(diào)制單元，多個單元調(diào)制器重復排列，形成如圖1結(jié)構(gòu)。將所需波形編譯成隨時間變化的空間電信號陣列，正電極陣列的各單元正電極與負電極陣列的各單元負電極分別鏈接石墨烯柵層各單元兩端施加該空間電信號陣列。經(jīng)過上述設(shè)計，通過以較低頻率改變電極陣列所施加的空間電信號陣列，可以精確產(chǎn)生任意所需波形。

本發(fā)明具體有益效果：

1.本發(fā)明可以產(chǎn)生無限定范圍的任意波形。

2.本發(fā)明產(chǎn)生的任意波形具有極高的精度，所需波形由各位置經(jīng)吸收的載波波形組成，其長度為百微米量級，其對應的時間長度為飛秒量級。

3.石墨烯作為調(diào)制材料，具有超快載流子速度、超短響應時間、超寬波長調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢。

4.硅基集成光波導的制作與當今成熟而先進的微電子加工工藝相兼容，相比于傳統(tǒng)光調(diào)制器，具有工作帶寬大，器件尺寸較小，易于制作，具有較高的可行性。

5.波導方向大尺寸的石墨烯層可以在同一時間點加載大空間長度的所需波形，降低了所需的電極陣列所加電壓的變化速度，從而以很低控制速度實在任意波形發(fā)生。

6.將傳統(tǒng)的單點調(diào)制器轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g調(diào)制器，使大量信息同步加載，避免了高頻電壓產(chǎn)生的高損耗問題，降低了成本。

附圖說明

圖1基于石墨烯柵層微細光纖的電光任意波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2實例一中所需產(chǎn)生的波形。

圖3實例一中正負電極對31、41所加電信號。

圖4實例一中正負電極對32、42所加電信號。

圖5實例一中正負電極對33、43所加電信號。

圖6實例一中正負電極對34、44所加電信號。

圖7實例一中正負電極對35、45所加電信號。

圖8實例一中正負電極對36、46所加電信號。

圖9實例一中正負電極對37、47所加電信號。

圖10實例一中正負電極對38、48所加電信號。

圖11實例一中正負電極對39、49所加電信號。

圖12實例一中正負電極對310、410所加電信號。

圖13實例一中正負電極對311、411所加電信號。

圖14實例一中正負電極對312、412所加電信號。

圖15實例一中正負電極對313、413所加電信號。

圖16實例一中正負電極對314、414所加電信號。

圖17實例一中正負電極對315、415所加電信號。

圖18實例一中正負電極對316、416所加電信號。

圖19實例一中正負電極對317、417所加電信號。

圖20實例一中正負電極對318、418所加電信號。

圖21實例一中正負電極對319、419所加電信號。

圖22實例一中正負電極對320、420所加電信號。

圖23實例一中正負電極對321、421所加電信號。

圖24實例一中正負電極對322、422所加電信號。

圖25實例一中正負電極對323、423所加電信號。

圖26實例一中正負電極對324、424所加電信號。

圖27實例一中正負電極對325、425所加電信號。

圖28實例一中正負電極對326、426所加電信號。

圖29實例一中正負電極對327、427所加電信號。

圖30實例一中正負電極對328、428所加電信號。

圖31實例一中正負電極對329、429所加電信號。

圖32實例一中正負電極對330、430所加電信號。

圖33實例一中實際產(chǎn)生的波形。

圖34實例二中所需產(chǎn)生的波形。

圖35實例二中正負電極對(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)電信號。

圖36實例二中正負電極對(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)電信號。

圖37實例二中正負電極對(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)電信號。

圖38實例二中正負電極對(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)電信號。

圖39實例二中正負電極對(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)電信號。

圖40實例二中正負電極對(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)電信號。

圖41實例二中正負電極對(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)電信號。

圖42實例二中正負電極對(38,48)、(316,416)電信號。

圖43實例二中實際產(chǎn)生的波形。

具體實施方式

實施例一：

該任意波形發(fā)生器包括脊形硅波導1、石墨烯柵層2、正電極陣列3(正電極單元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、負電極陣列4(負電極單元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5、hbn層6(圖1)。組合方式為：該脊形波導調(diào)制器結(jié)構(gòu)用絕緣體上硅soi作為基底，若干層石墨烯與hbn層插入脊形波導中部，頂層蒸鍍一層多晶硅，正負電極陣列在硅波導兩側(cè)與石墨烯層相連，形成一個調(diào)制單元，多個單元調(diào)制器重復排列，形成如圖1結(jié)構(gòu)。脊波導寬度600nm，高度250nm，石墨烯為雙層，單元長度為300μm，相鄰單元間距為280μm，單元數(shù)30，hbn層厚度7nm。載波從硅波導1一端通入，在另一端檢測產(chǎn)生的波形。將所需波形(如圖2)編輯為隨時間變化的空間電信號陣列，體現(xiàn)在各個正負電極對上電信號，分別如圖3到圖32所示，施加在各正負電極對對應的石墨烯柵層單元上，在硅波導1輸出端可得到發(fā)生的波形(圖33)。

實施例二：

該任意波形發(fā)生器包括脊形硅波導1、石墨烯柵層2、正電極陣列3(正電極單元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、負電極陣列4(負電極單元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5、hbn層6(圖1)。組合方式為：該脊形波導調(diào)制器結(jié)構(gòu)用絕緣體上硅soi作為基底，若干層石墨烯與hbn層插入脊形波導中部，頂層蒸鍍一層多晶硅，正負電極陣列在硅波導兩側(cè)與石墨烯層相連，形成一個調(diào)制單元，多個單元調(diào)制器重復排列，形成如圖1結(jié)構(gòu)。所用石墨烯柵層2層數(shù)為2。載波從硅波導1一端通入，在另一端檢測產(chǎn)生的波形。將所需波形(如圖34)編輯為隨時間變化的空間電信號陣列，體現(xiàn)在各個正負電極對上電信號，正負電極對(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)電信號如圖35所示，正負電極對(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)電信號如圖36所示，正負電極對(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)電信號如圖37所示，正負電極對(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)電信號如圖38所示，正負電極對(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)電信號如圖39所示，正負電極對(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)電信號如圖40所示，正負電極對(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)電信號如圖41所示，正負電極對(38,48)、(316,416)電信號如圖42所示，施加在各正負電極對對應的石墨烯柵層單元上，在硅波導1輸出端可得到發(fā)生的波形(圖43)。