基于石墨烯的光调制器研究进展

毕卫红，王晓愚，付广伟，2，王圆圆（.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛066004）

基于石墨烯的光调制器研究进展

毕卫红1，2，∗，王晓愚1，付广伟1，2，王圆圆1
（1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004；
2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛066004）

摘 要：首先介绍了石墨烯的光电特性及光调制机理，在此基础上结合石墨烯在光调制器中的研究及应用，综述了国内外基于石墨烯的光调制器研究进展，重点叙述了条形波导结构、M⁃Z结构、环形腔结构以及一些其它结构光调制器的工作原理及各器件的特性。

关键词：研究进展；石墨烯；光调制器

0　引言

为了满足高性能计算机与光通信高速发展的技术需求，片上光互连技术已经成为亟待解决的关键性技术［1］。光调制器作为光通信系统中的关键器件，其性能的优劣直接影响着光信号的传输质量和系统的稳定性。按材料划分，光调制器大致可分为：无机物光调制器，Ⅲ⁃Ⅴ族半导体光调制器和聚合物光调制器［2］。典型的化合物铌酸锂光调制器目前已经商用化，但存在着调制电压高、制作成本高、器件体积大、电极结构复杂等缺陷，使之不能做到光集成和光互联。利用硅的等离子色散效应对光信号进行电光调制［2］，Ⅲ⁃Ⅴ族材料的半导体硅可以做成硅基光电子集成系统且与CMOS技术有良好的兼容性，但硅晶体不具有线性电光效应（Pockels效应），二次电光效应（Kerr效应）也很弱，这对调制速率和调制深度都有一定的限制。

自从2004年Manchester大学的Andre Geim 和Konstantin Novoselov首次在实验室成功剥离出稳定的单层石墨烯材料以来，被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯就成为了研究热点。石墨烯特殊的原子结构和能带结构，使其对光具有很强的相互作用，逐渐被应用到光调制器、光探测器、光开关、新能源电池等诸多领域。石墨烯可以同时满足高调制速率、宽带宽、小型化等条件，又能兼容CMOS工艺，同时极高的电流密度和载流子迁移率（超过硅材料100倍）使它成为光调制器研究中最受瞩目的材料［3⁃5］。本文就石墨烯在不同结构光调制器上的研究及应用，综述了石墨烯光调制器的研究进展。

1　石墨烯光电特性及光调制机理

石墨烯是排列成二维蜂窝状晶格结构的碳原子单层，它的电学、光学、机械和热力学特性都达到了前所未有的高度，这是其它材料无法比拟的［6］。由于石墨烯厚度极薄，具有很好的透光性、可视性［7］；而石墨烯又具有一定的光吸收率，使碳单层的垂直透光率T为97.7%，反射率R＜0.1%［8］，可用做光吸收材料，且多层石墨烯的光吸收率与石墨烯的层数成正比［6］，如图1所示。石墨烯还具有独特的零带隙能带结构［9］，如图2所示，使传递电子的速率比已知导体都快，接近光速的1/300，超过了碳纳米管和硅晶体；导热系数达5 300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石；电阻率只有约10－6Ω·cm，比铜或银更低，为世界上已知电阻率最小的材料。石墨烯中载流子迁移率最高超过200 000 cm2/（V·s）［10⁃13］，这也为制备高速光调制器提供了可能性。

图1　直径50μm孔隙中部分覆盖单层和双层石墨烯的照片Fig.1　Photograph of a 50 μm aperture partially covered by graphene and its bilayer

图2　石墨烯三维能带结构Fig.2　Graphene energy band structure

石墨烯的光调制机理主要是利用加载在石墨烯上的电压调控石墨烯的载流子（电子和空穴）浓度，这导致化学势μ（也就是费米能级）的变化，而费米能级位置的移动会引起石墨烯的带内跃迁和带间跃迁，这对应着光导率σ的变化，进而改变材料的光吸收特性，当费米能级位于阈值±hv0/2之间时，光被石墨烯吸收，其它情况光会被透过，最终实现了光信号的调制。石墨烯的光电导表示为［14］

其中，带内跃迁表示为

带间跃迁表示为

费米⁃狄拉克分布表示为

由式（1）～（4）可知，石墨烯的光电导取决于入射光的角频率ω、带内和带间跃迁的弛豫时间τ1、 τ2，化学势μ和温度T。而化学势μ可以通过以下3种方式改变：1）加电压；2）化学掺杂；3）光激发。基于上述石墨烯独特的光电特性以及光电导调制机理，人们设计出不同结构的石墨烯光调制器。

2　基于石墨烯的光调制器

近几年，基于不同结构、不同工作原理的石墨烯光调制器不断涌现。按结构类型可分为条形波导结构、M⁃Z结构、环形腔结构等。不同结构的设计各有优势，其器件性能指标如宽带宽、高速率、高消光比、低能耗、小尺寸等也各具特色。

2.1条形波导结构石墨烯光调制器

2011年，美国加州大学伯克利分校的Liu Ming等将单层石墨烯转移到条形硅波导上，制备出世界上第一个硅基⁃石墨烯集成光调制器［15］，如图3所示。宽600 nm、厚250 nm的条形硅波导用于传光，在硅波导底部生长一层硅基连接金电极和石墨烯。利用化学气相沉积法（CVD法）制备石墨烯薄层并转移到硅波导表面。同时，为了维持石墨烯较高的载流子迁移速率，在石墨烯层和硅波导之间利用原子层沉积法增加了一层7 nm厚的Al2O3。石墨烯多余的部分用氧化等离子体移除，只留下波导顶部及连接波导和Pt电极之间的部分。Pt电极作为辅助（反）电极起到降低器件阻抗的作用，为了减小方块电阻，对硅基和硅波导都进行了硼掺杂。硅波导与Pt电极之间的最小距离控制在500 nm，使光波导的模式不受Pt电极的影响。该器件在原有硅基光调制的基础上引入了石墨烯作为光吸收体对光强度进行调制，调制长度40 μm，调制深度达到0.1 dB/μm，故消光比达到了4 dB。调制带宽1.35～1.6 μm、3 dB带宽为1.2 GHz，调制区域仅需要25 μm2［16］。

图3　单层石墨烯光调制器Fig.3　Single⁃layer graphene optical modulator

2012年，该实验组在原有设计方案的基础上，提出利用石墨烯层替代硅层，设计出了双层石墨烯光调制器［17］，如图4所示。替代后的石墨烯层增强了与光的相互作用，提高了载流子的电子迁移率，增加了调制速率，降低了插入损耗，进而提高了器件的调制深度。它的调制深度提高到0.16 dB/μm，消光比为6.5 dB。调制深度相较于单层石墨烯调制器有所提高，但由于寄生效应（RC时间）对器件的影响，石墨烯的3 dB带宽仅为1 GHz。Koester和Li也对双层石墨烯光调制结构进行了仿真和计算，虽然调制速率可达到120 GHz，但是调制深度仅为0.05 dB/μm［18］。Lu 和Zhao在理论分析后得出，石墨烯只有被放置在电场最大的位置，才能使石墨烯与光的相互作用达到最强，进而充分发挥它的调制效率［19⁃20］。

图4　双层石墨烯光调制器Fig.4　Dual⁃graphene optical modulator

针对如何增强石墨烯与光相互作用这一问题，2011年韩国三星尖端技术研究所的Kim Kinam等设计出脊型波导结构石墨烯光调制器［21］，如图5所示。该结构将硅波导分为上下两部分，上层为多晶硅，下层为单晶硅，中间用双层石墨烯和hBN（六方氮化硼）隔开。这里用7 nm厚的hBN取代Al2O3做缓冲层，是因为hBN具有较低的介电常数，调制器的总电阻也由600 Ω降低到26 Ω，方块电阻降至15 Ω，使器件的电容电阻时间常数降低，从而调制深度与调制速率的大幅度提升［22］。调制器脊宽600 nm，脊高250 nm，调制长度35 μm，金属电极与波导之间间隔300 nm。在波长1.55 μm处，该调制器的TE模如图6所示，光场强度最大处被限制在石墨烯层附近，提高了光与石墨烯层的相互作用，3 dB带宽达到了55 GHz。

2013年，新加坡科技设计大学团队设计了一种槽型结构的调制器，如图7所示，并对石墨烯光调制器进行了理论分析。调制器的光频宽达到了惊人的12 THz，调制速率范围为160～850 GHz，仅受石墨烯电阻的影响。通过改变石墨烯的化学势，调制器的调制深度最高可达4 dB/μm。该结构最大特点是引入了一层很薄的高介电常数材料，在传光的同时还降低了能量损耗。需要强调的是，该结构无论将石墨烯放置在光场中的任何位置，对TM模的调制效果都要好于对TE模的调制效果［23］。

图5　脊型波导石墨烯光调制器Fig.5　Optical modulator of graphene⁃based ridge waveguide

图6　脊型波导石墨烯光调制器在1.55 μm处的TE模Fig.6　Transverse electric mode profiles at a wavelength of 1.55 μm are shown for the ridge type

图7　槽型结构石墨烯光调制器Fig.7　Optical modulator of graphene⁃based slot⁃waveguide

同样在2013年，新加坡科技设计大学团队又提出了一种基于金属和介质表面等离激元的石墨烯电吸收调制器［24］，如图8（a）所示。在PMMA脊型波导（宽500 nm，高600 nm）与金属基底（宽3 μm，高50 nm）之间沉积了石墨烯层与氧化过渡层。利用金属与介质表面等离激元，将电场限制在石墨烯层附近，使石墨烯最大程度地对光进行调制，如图8（b）、（c）。相比于传统电吸收型光调制器，在消光比与插入损耗比值Δα/α这项参数对比上，该结构达到了5.2，将脊波导用Si材料替换后，更是达到了17.3，而传统结构电吸收调制器在1.55 μm处的参数值很少能超过3.5，可见该调制器结构在调制深度参数上很有优势。但高消光比的代价也是巨大的，能耗达到了Ebit＝15.8 fJ/bit，比传统调制器高出1～2个数量级。

图8　基于表面等离激元的石墨烯电吸收型光调制器Fig.8　Graphene⁃based waveguide integrated dielectric⁃loaded plasmonic electro⁃absorption modulators

2014年，电子科技大学的Ye Shengwei等设计出双层石墨烯叠加光调制结构［25］，如图9所示。从结构上看，将以前的双层石墨烯电极⁃硅波导结构改为四层石墨烯⁃双硅层波导结构。可以明显看出该结构可以使石墨烯层与光进行更强的相互作用，消光比达到了34 dB，调制带宽也达到了100 GHz，调制长度为5 μm。但是，由于石墨烯层数增多导致驱动电压增大，调制能耗也高到17.6 fJ/bit。

图9　双层石墨烯叠加调制器剖面图Fig.9　A cross⁃section of the dual⁃graphene⁃on⁃graphene waveguide

2014年，华中科技大学团队在双层石墨烯调制器的基础上设计出一种基于石墨烯的偏振不敏感光调制器［26］，如图10所示。在条形硅波导中间挖出一个U型槽，将石墨烯层覆盖在U型槽上，再用另一层硅波导将槽填平。仿真过程中，底层硅波导的尺寸始终保持宽650 nm、高340 nm，而通过改变中间石墨烯槽的宽和高分析了在1.55 μm入射光下，对TM、TE模的影响。结果表明，宽度范围在190～240 nm，高度范围在150～200 nm之间，调制器对偏振态都不敏感。

图10　偏振不敏感光调制器结构图Fig.10　Structure of the polarization－insensitive optical modulator

2015年，美国堪萨斯大学的Susbhan Das等通过调节石墨烯与ITO（氧化铟锡）薄膜之间的等离子体共振对近红外波段进行调制［27］。最终，利用6 根ITO的等离子体共振效应，调制器的消光比达到了5 dB/μm，但也由于引入等离子共振产生光学电路的这一通病，插入损耗达到1.7 dB/μm。

条形波导结构简单，与CMOS工艺具有天生优良的兼容性，但由于寄生电容、石墨烯与金属电极的连接电阻以及低质量石墨烯带来的材料电阻等问题，使条形波导结构石墨烯光调制器的插入损耗、器件能耗受到很大影响。所以，高质量的石墨烯与金属电极连接，以及高质量石墨烯层的沉积成为提高该结构调制器性能的关键［26］。

2.2M⁃Z结构石墨烯光调制器

M⁃Z电光调制器与依靠外加电压改变材料吸收谱线的电吸收调制器不同，它主要利用了线性电光效应（即Pockets效应）来调节材料的折射率，再利用M⁃Z干涉仪结构使输出光功率随所加电压变化［23］。M⁃Z干涉仪是基于两束光的干涉相消相长原理从而达到开关状态的转换，故光学信号对这种结构并不是很敏感，因此它具有较大的光学带宽以及较高的温度容差等优点［22］。

2012年，Grigorenko A N等首次提出了基于石墨烯等离子体的M⁃Z调制器结构模型［28］，如图11所示。2013年，Hao Ran等设计出了一种具有8层石墨烯嵌入式结构的M⁃Z光调制器［29］，如图12所示，通过将硅与石墨烯层层叠加的形式，构建出M⁃Z结构的双臂，这种结构使器件的电折射效应大大增强。当两臂同时加电压时：若电压相同，则输出光强增加，达到最大值；若电压差值为半波电压，则输出光强降低，达到最小值，这就对应了调制器的开和关两种状态。经过对器件的模拟仿真，其调制效率和消光比分别达到20 V·μm，35 dB，调制器尺寸30 μm×4 μm。

图11　M⁃Z结构电光调制器模型Fig.11　Electro⁃optic modulator model of M⁃Z structure

2014年，Hao Ran团队通过对多层石墨烯M⁃Z调制器的优化设计［30］，将石墨烯层数降为4层，如图13所示。优化后的臂长由原来的27.57 μm降为16.5 μm，缩小了器件尺寸；同时，消光比达到31.8 dB，最小驱动电压降至1 V以下，能耗为8 fJ/bit。优化后有效折射率变化率大大提高，同时提高了调制速率。温度变化在300～400 K之间，入射波长在1 520～1 580 nm之间时，调制器的性能仍保持良好。美国乔治华盛顿大学通过在覆盖有石墨烯的M⁃Z双臂上加电压对其进行相位调制［31］，如图14所示。器件调制长度为5.6 um，在3.1～4.5 V的电压调制范围内，调制能耗高达21.7 ～45.8 fJ/bit。

图12　多层石墨烯M⁃Z电光调制器Fig.12　Multi⁃layer graphene M⁃Z electro⁃optic modulator

图13　石墨烯M⁃Z电光调制器Fig.13　Graphene M⁃Z electro⁃optic modulator

2015年，该团队同样基于M⁃Z原理，利用器件对于TE模与TM模有效折射率变化的不同设计出基于石墨烯的起偏器［32］，如图15所示。器件尺寸为70 μm×2 μm，对TE模和TM模的消光比分别高达19 dB和21 dB，调制范围为1 500～1 800nm。

图14　石墨烯基M⁃Z相位调制器结构图Fig.14　Schematic of Mach⁃Zehnder phase modulator

图15　石墨烯M⁃Z起偏器Fig.15　Schematic of Mach⁃Zehnder polarizer

2.3环形腔结构石墨烯光调制器

环形谐振，是指光从直波导耦合进入微环当中，传输一周后会与后续进入微环中的光学信号发生干涉效应，最终选择性的输出一部分光，剩下的部分光会在微环中完全损耗掉，即发生谐振效应。环形谐振结构的调制器具有较大的消光比以及较小的尺寸两大优势［22］。

2012年，新加坡国立大学的团队提出一种石墨烯结合硅环形腔的光调制器模型［33］，如图16所示，该器件将相位的变化转换成光强的变化。同年，Michele Midrio等在环形腔结构的基础上设计出双层石墨烯调制微环腔光调制器［34］，如图17所示。通过加载在两片石墨烯上的电压来调制板间电场，改变石墨烯的费米能级，调制其吸收系数，最终实现调制器从耦合状态到非耦合状态的转换，形成开关路［22］。该模型的消光比可以达到44 dB，但此结构对入射波长敏感，只能调制特定的波长［22］。

2014年，Du Wei等通过将石墨烯层嵌入到环形腔内大大增加了石墨烯与光的相互作用［35］，如图18所示。以往石墨烯环形腔结构都是将石墨烯覆盖在环形腔表面，调制效率不高。利用嵌入式结构可以将调制效率（1.08 nm/V）提高2个量级［36］，调制带宽可达到149 GHz，调制器的消光比可以达到22.13 dB，同时能耗也有所降低。

图16　石墨烯基环形腔结构模型Fig.16　Model of the graphene⁃based resonator

图17　环形波导结构示意图Fig.17　Schematic diagram of the ring waveguide

图18　石墨烯嵌入式环形腔调制器三维图Fig.18 3D view of the graphene⁃embedded ring modulator

2.4其它结构石墨烯光调制器

2012年Lee等人设计出在亚波长厚度衬底上集成单层石墨烯的反射结构电光调制器［37］，如图19所示。银层既作为背栅又起到反射镜的作用，Ta2O5（五氧化二钽）层作为石墨烯的栅绝缘层和衬底。顶层由环形Ti/Al电极与石墨烯层连接，环形结构以外的石墨烯用氧化等离子体去除以减小器件电容。反射光穿过环形电极由光电二极管接受，被锁相放大的光幅值通过离散扫描提取。测试结果表明，光的频率响应在0.1 Hz～200 MHz范围内积极，但测试光强较弱，小于5 kW/cm2。该结构的优点是设计灵活，可以根据光学性质的需求对器件进行设计。在高速振幅调制过程，有很好的相位不失真性和频率响应的平坦性，这有利于高重复率锁模激光器和干涉仪性能的提高。

图19　器件结构示意图Fig.19　Sketch of the device structure

2014年，浙江大学李威等提出基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器［38］，如图20所示。利用微纳光纤的强倏逝场和波导效应来增强光与石墨烯相互作用，首次在光通信波段获得2.2 ps（计算得到的等效带宽约为450 GHz；考虑到飞秒脉冲为高斯光束，其时间⁃带宽常数为0.44，则通过计算得到的对应带宽大约是200 GHz）的石墨烯超快光调制实验结果，调制深度达到38%。同时，该调制器结构紧凑、与光纤系统兼容，在光通信、光计算、光逻辑等方面均具有潜在的应用前景［39］。同年，浙江大学Hao Ran团队将单模通信光纤侧边抛磨使纤芯露出，石墨烯覆盖在纤芯表面［40］，器件的三维图和完整的光纤侧视图、经过抛磨的光纤侧视图以及覆盖石墨烯层的光纤侧视图如图21（a）～（d）所示。可以看出，石墨烯直接与单模光纤的光场最强处相作用。然后通过二维模型分析法和三维有限时域差分法对该模型进行分析，这也是首次对石墨烯与光纤抛磨面相结合的器件结构进行研究。器件的调制长度为127 μm，通过COMSOL仿真与FDTD计算，在理论上首次建立了相位变化与石墨烯化学势之间的拟线性关系。通过该器件良好的光纤兼容性与石墨烯基结构的完美结合，可以预测光纤相位调制器很可能会在未来的光纤通信与传感领域，特别是全光系统的构建上起到重要作用。

2014年，电子科技大学设计出基于石墨烯的全光太赫兹调制器［41］，器件原型如图22所示。该调制器是基于锗衬底上石墨烯结构，通过泵浦光功率的变化改变石墨烯费米能级，从而达到对THz波的调制。在1.55 μm泵浦光下，调制带宽从0.25 THz～1 THz，最大调制深度达94%，调制速率约为200 kHz。所用泵浦光为100 fs，脉冲频率为100 MHz，光最大平均功率为400 mW，光斑直径为5 mm。与2012年Peter Weis等人设计的硅基石墨烯太赫兹调制器［41］相比，锗材料具有更多的载流子（电子和空穴），这能提高器件的表面载流子迁移率，进而提升器件性能（调制深度和调制速率）。锗基调制器另一优势在于，可以在1.3～1.55 μm波段下对太赫兹进行有效调制，而硅基仅在810 nm附近有很好的调制效率，这是硅材料的本征带隙决定的。所以，这使得硅材料在现有的光纤通信集成问题上存在劣势［42］。

图20　全光石墨烯调制器示意图Fig.20　Schematic diagram of all⁃optical graphene modulator

图21　光纤相位调制器Fig.21　Phase modulator of the optical fiber

图22　空间太赫兹波全光调制器原型Fig.22　Prototype and spatial configuration of the all⁃optical spatial terahertz modulator

2014年，哥伦比亚大学与麻省理工大学的研究人员通过对已有的石墨烯与硅波导、腔体结构集成［43］进行研究，设计出腔体⁃石墨烯结构的电光调制器［44］，如图23所示。双层石墨烯与二维光子晶体腔依次层叠，中间用BN（氮化硼）隔开，底层以石英为衬底。相比传统的SiO2/Si衬底，石英衬底可以有效地减小寄生电容的影响。光进入腔体与石墨烯耦合，通过周围金属电极电压变化，调节石墨烯的费米能级，改变石墨烯对光的吸收率。测试结果表明，调制器3 dB截止频率达1.2 GHz，这也是由器件RC时间常数决定的。调制深度为3.2 dB，调制能耗约为1 pJ/bit。光子晶体腔结构与石墨烯强烈的光耦合与电吸收效应可以为构建高性能、低能耗的光调制器和集成光互联提供了一种思路。

图23　腔体⁃石墨烯结构电光调制器Fig.23　Schematic of the cavity⁃graphene electro⁃optic modulator

3　展望

国内外光调制器的研究进展与各行业的快速发展，要求高性能的光调制器需具备高调制速率、低能耗、高消光比（调制深度）以及小尺寸等优点。今后研究的重点是突破实际情况的限制，在保证插入损耗和调制带宽的高性能的同时，兼顾其它性能指标不受影响，以达到最佳的调制效果。

石墨烯光调制器的发展空间巨大，理论上石墨烯具有500 GHz的潜在带宽。当前研究的热点是利用新结构、新原理、新方法提高石墨烯光调制器的调制速率、调制深度，进一步减小器件尺寸以适应未来光互联的发展要求。由于石墨烯具有独特的零带隙能带结构以及特殊的单原子层二维晶格结构，使得其完全取代硅材料几乎是不可能的，且石墨烯的制备、转移、可重复性以及和CMOS工艺的兼容性都是亟待解决的问题。所以，石墨烯基内存芯片以及微处理器的问世可能还需要十几年或几十年的时间。但随着石墨烯制备工艺的不断完善，成本不断降低，石墨烯大规模应用将会越来越多，而基于石墨烯优异的光学、电学、机械、热力学等特性，尤其是其卓越的光学性质，石墨烯材料有望进一步推动新型光电器件的研究和应用，为光互联奠定坚实的基础。

参考文献

［1］王兴军 苏昭棠 周治平.硅基光电子学的最新进展 J .中国科学 物理学力学天文学 2015 45 1 014201.

［2］唐琳峰 叶胜威 郑秀 等.石墨烯光调制器研究进展 J .激光杂志 2013 34 6 1⁃4.

［3］Pickus S K Khan S Ye C et al.Silicon plasmon modulators break⁃ing photonic limits J .IEEE Photonics Society Newsletter 2013 27 6 4⁃10.

［4］Andersen D R.Graphene⁃based long⁃wave infrared TM surface plas⁃mon modulator J .JOSA B 2010 27 4 818⁃823.

5 Xia F Mueller T Lin Y M et al.Ultrafast graphene photodetector J .Nature Nanotechnology 2010 4 12 1⁃2.

［6］Avouris P.Graphene electronic and photonic properties and devices J .Nano Letters 2010 10 11 4285⁃4294.

［7］陈路.飞秒激光还原图案化石墨烯用作有机电致发光器件电极的研究 D .长春 吉林大学 2012.

［8］Kuzmenko A B Van H E Carbone F et al.Universal optical con⁃ductance of graphite J .Physical Review Letters 2008 100 11 2339⁃2340.

［9］Nair R R Blake P Grigorenko A N et al.Fine structure constant defines visual transparency of graphene J .Science 2008 320 5881 1308⁃1313.

［10］Bolotin K I Sikes K J Jiang Z et al.Ultrahigh electron mobility in suspended graphene J .Solid State Communications 2008 146 9 351⁃355.

［11］Du X Skachko I Barker A et al.Approaching ballistic transport in suspended graphene J .Nature Nanotechnology 2008 3 8 491⁃495.

［12］Wallace P R.The Band Theory of Graphite J .Physical Review 1947 71 9 622⁃634.

［13］Lu G Yu K Wen Z et al.Semiconducting graphene converting graphene from semimetal to semiconductor J .Nanoscale 2013 5 4 1353⁃1368.

［14］Falkovsky L A Pershoguba S S.Optical far⁃infrared properties of graphene monolayer and multilayer J .Physical Review B 2007 76 15 153410.

［15］Liu M.A graphene⁃based broadband optical modulator J .Nature 2011 474 7349 64⁃67.

［16］尹伟红 韩勤 杨晓红.基于石墨烯的半导体光电器件研究进展 J .物理学报 2012 61 24 593⁃604.

［17］Ming L Yin X Xiang Z.Double⁃layer graphene optical modulator J .Nano Letters 2012 12 3 1482⁃1485.

［18］Koester S J Li M.High⁃speed waveguide⁃coupled graphene⁃on⁃graphene optical modulators J .Applied Physics Letters 2012 100 17 171107.

［19］Lu Z Zhao W.Nanoscale electro⁃optic modulators based on gra⁃phene⁃slot waveguides J .Journal of the Optical Society of America B 2012 29 6 1490⁃1496.

［20］肖宇泽.石墨烯电吸收型调制器的理论与技术研究 D .成都电子科技大学 2014.

［21］Kim K Choi J Y Kim T et al.A role for graphene in silicon⁃based semiconductor devices J .Nature 2011 479 7373 338⁃344.

［22］李绍娟 甘胜 沐浩然 等.石墨烯光电子器件的应用研究进展J .新型炭材料 2014 29 5 329⁃356.

［23］李佳.马赫⁃曾德尔电光调制器原理及其在光纤通信中的应用J .湖南工业职业技术学院学报 2010 10 3 15⁃17.

［24］Gosciniak J.Graphene⁃based waveguide integrated dielectric⁃ loaded plasmonic electro⁃absorption modulators J .Nature Nano⁃technology 2013 24 18 1⁃6.

［25］Ye S Wang Z Tang L et al.Electro⁃absorption optical modulator using dual⁃graphene⁃on⁃graphene configuration J .Optics Express 2014 22 21 26173.

［26］Xiao Hu Gui Chengcheng Wang Jian.A graphene⁃based polariza⁃tion⁃insensitive optical modulator C //Integrated Photonics Re⁃search Silicon and Nanophotonics 2014 San Diego California USA 2014 JT3A.25.

［27］Das S Salandrino A Wu J Z et al.Near⁃infrared electro⁃optic modulator based on plasmonicgraphene J .Optics Letters 2015 40 7 1516⁃1519.

［28］Grigotenko A N Polini M Novoselov K S.Graphene plasmonics⁃optics in flatland J .Nature Photonics 2012 6 749⁃758.

［29］Hao Ran Du Wei Chen Hongsheng et al.Ultra⁃compact optical modulator by graphene induced electro⁃refraction effect J .Applied Physics Letters 2013 103 6 061116.

［30］Du Wei Hao Ran Li Er⁃Ping.The study of few⁃layer graphene based Mach⁃Zehnder modulator J .Optics Communications 2014 323 14 49⁃53.

［31］Ye Chenran Pickus S Liu Ke et al.High performance Graphene and ITO⁃based electro⁃optic modulators and switches C //The OptoElectronics and Communication Conference and Australian Conference on Optical Fibre Technology 2014 Melbourne Australia 2014 404⁃406.

［32］Hao Ran Du Wei Li Er⁃Ping et al.Graphene assisted TE/TM⁃in⁃dependent polarizer based on Mach⁃Zehnder interferometer J .IEEE Photonics Technology Letters 2015 27 10 1112⁃1115.

［33］Bao Q Loh K P.Graphene photonics plasmonics and broadband optoelectronic devices J .Acs Nano 2012 6 5 3677⁃3694.

［34］Midrio M Boscolo S Moresco M et al.Graphene⁃assisted critically⁃coupled optical ring modulator J .Optics Express 2012 20 21 23144⁃23155.

［35］Du W Li EP Hao R.Tunability Analysis of a graphene⁃embedded ring modulator J .IEEE Photonics Technology Letters 2014 26 20 2008⁃2011.

［36］Liu M Zhang X.Graphene⁃based optical modulators C //Optical Fiber Communication Conference 2012 Los Angeles California USA 2012 OTu1I.7.

［37］Lee C C Suzuki S Xie W et al.Broadband graphene electro⁃optic modulators with sub⁃wavelength thickness J .Optics Express 2012 20 5 5264⁃5269.

［38］Li W Chen B Meng C et al.Ultrafast all⁃optical graphene modu⁃lator J .Nano Letters 2014 14 2 955⁃959.

［39］李威.基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究 D .杭州浙江大学 2014.

［40］Zhou Feng Hao Ran Jin Xiao⁃Feng et al.A graphene⁃enhancedfiber⁃optic phase modulator with large linear dynamic range J .IEEE Photonics Technology Letters 2014 26 18 1867⁃1870.

［41］Wen Q Y Tian W Mao Q et al.Graphene based all⁃optical spatial terahertz modulator J .Scientific Reports 2014 4 7409.

［42］Herrscher M Grundmann M Droge E et al.Epitaxial liftoff In⁃GaAs/InP MSM photodetectors on Si J .Electronics Letters 1995 31 16 1383⁃1384.

［43］Majumdar A Kim J Vuckovic J et al.Electrical control of silicon photonic crystal cavity by graphene J .Nano Letters 2013 13 2 515⁃518.

［44］Gao Y Shiue R J Gan X et al.High⁃speed electro⁃optic modulator integrated with graphene⁃boron nitride hetero⁃structure and photonic crystal nanocavity J .Nano Letters 2014 15 3 2001⁃2005.

Review on optical modulator based on graphene

BI Wei⁃hong1 2WANG Xiao⁃yu1FU Guang⁃wei1 2WANG Yuan⁃yuan1
1.School of Information Science and Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China
2.The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractBased on the analysis of the optical and electrical characteristics of graphene the development of graphene⁃based optical modulators are reviewed in this paper which focuses on the modulation principle and distinguishing features of strip waveguide M⁃Z tructure ring resonator and some other optical modulation structures.

Key wordsreview graphene optical modulator

作者简介：∗毕卫红（1960⁃），女，河北卢龙人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为光纤传感与光电子器件，Email：whbi＠ysu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61475133，61575170）

收稿日期：2015⁃05⁃12

文章编号：1007⁃791X（2015）03⁃0189⁃10

DOI：10.3969/j.issn.1007⁃791X.2015.03.001

文献标识码：A

中图分类号：TN216