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摘 要

本文使用数学计算与软件模拟的方法，研究了不同因素对石墨烯直波导吸光能力的影响。优化出一种石墨烯电吸收调制器的直波导结构，并介绍了其应用于和环形谐振腔集成构成新的调制器结构。

利用Kubo公式，对石墨烯的电导率、介电常数、折射率进行数值计算，为接下来的结构模拟提供理论基础。

通过研究石墨烯在波导中的位置，波导脊波导与硅覆盖层的比例，隔离介质的材料与厚度，以及石墨烯的层数等因素对石墨烯直波导吸光能力的影响。总结与分析得到最优的结构为，双层石墨烯置于脊波导与硅平板层之间，脊波导厚为200nm，硅平板厚为160nm，电介质为5nm厚的hBN。根据公式，计算出9长直波导的调制器性能参数为，消光比为87dB、调制带宽为81GHz、插入损耗为0.435dB、能量损耗为3.1fJ/bit。

最后，为了减小调制器的尺寸使其易于集成，设计出了基于此直波导的环形谐振腔调制器。由于弯曲损耗和耦合损耗，该结构的损耗增大到1.4221dB。其他调制器参数与直波导结构差别不大。

研究结果表明，基于石墨烯的光调制器具有带宽大、消光比高、小尺寸、低功耗等特性，本论文的工作为以后进一步制作基于石墨烯的电吸收型调制器提供了理论基础。

关键词：石墨烯、电吸收光调制器、直波导、环形谐振腔

A STUDY ON THE MODULATION MECHANISM OF

GRAPHENE-BASED ELECTRO-OPTIC MODULATIONS

Abstract

In this thesis, we study the effects of different factors on light absorption of graphene straight waveguide, with the help of calculations and simulations.

We calculate the conductivity, dielectric constant, refractive index of graphene with the help of Kubo formula, providing a theoretical basis for the following simulations

Owing to the study of the impact of factors (such as positions of graphene, type of dielectric) on light absorption of waveguide, we find out the best design of waveguide. We also calculate performance parameters of modulation with 9 best-designed waveguide. It’s extinction ratio is 87dB, the bandwidth is 81GHz, the insertion loss is 0.435dB, energy consumption is 3.1fJ / bit.

Finally, this waveguide is applied to form a new type electro absorption modulator, integrated with micro-ring resonator. This modulator has a bigger insertion loss (1.4221dB) as a result of bending loss coupling loss of the resonator. But the advantages of this modulator cannot be ignored, such as smaller size.

The results show that graphene-based modulations has outstanding features of large bandwidth, high extinction ratio, small size, low power consumption and so on. The work of this paper provides a theoretical basis for further fabrication of an electro absorption modulator based on graphene.

KEY WORDS: graphene, electro absorption modulator, straight waveguide, micro-ring resonator

目录

第一章 绪 论 5

1.1光纤通讯概述 5

1.2电光调制器原理与分类 5

1.3基于石墨烯的光调制器研究 6

1.4本论文的主要内容 9

第二章 石墨烯基本理论与软件介绍 11

2.1石墨烯的介绍 11

2.2石墨烯的特性 11

2.3石墨烯的制备 12

2.4 COMSOL软件介绍 13

第三章 环形谐振腔石墨烯调制器设计与分析 15

3.1石墨烯直波导调制器设计 15

3.1.1石墨烯特性与其化学势关系 15

3.1.2石墨烯位置对吸收系数的影响 18

3.1.3硅平板层厚度对吸收系数的影响 22

3.1.4石墨烯层数对吸收系数的影响 27

3.1.5石墨烯间电介质对吸收系数的影响 27

3.2石墨烯直波导调制器分析 29

3.2.1石墨烯直波导的消光比 29

3.2.2石墨烯直波导的调制器带宽 30

3.2.2.1调制器的等效电容 31

3.2.3石墨烯直波导的插入损耗 32

3.2.4石墨烯直波导的能耗 33

3.3石墨烯环形谐振腔电吸收调制器的设计与分析 33

3.2.1双总线谐振环的设计 33

3.2.2环形调制器的性能分析 37

第四章 总结与展望 38

4.1总结 38

4.2前景展望 39

致 谢 40

参考文献 41

第一章 绪 论

1.1光纤通讯概述

光纤通信，也被称为光纤通讯。自上个世纪八十年代开始，光纤通信引发了电子信息领域的工业革命，因为其传输量大，速率快，足够安全，价格低廉，体积小等等优势使其在数位时代充当了非常重要角色。

光纤通讯的原理为:发射端使用调制器把电信号加载到光信号上，光信号通过光纤波导进行较远距离的传播，在接收端使用解调器把光信号还原为电信号。使用波分复用可以将载有不同电信号的光波，由同一个发射端发出，在接收端使用解复用器得到不同波长的光，再使用解调器把光信号还原为电信号。此方法，使得光纤可以同时传输大容量的数据，相比于电通讯具有极大的优势。

其发展历史如图1-1所示^[1]。

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