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全光调制在下一代光处理中发挥着关键作用，引起了全世界的广泛关注。石墨烯具有非凡的光电特性以及与各种纳米结构的友好集成兼容性，在超快、节能的全光调制方面显示出巨大的潜力。在这里，基于超薄硅/石墨烯混合波导实验证明了高效片上全光调制，该波导与互补金属氧化物半导体兼容且易于制造。由于超薄硅光子平台增强了光与石墨烯的相互作用，大大提高了石墨烯的光学非线性吸收，该结构能够有效增强波导中模场与石墨烯的作用强度，降低双光子吸收，在50 μm的硅波导中实现了超过了2 dB的调制，其饱和阈值小于1×10-12 J，实验测得的调制效率高达52 dB/mm，初步实验结果表明其调制速率高达几百GHz。。此外，所提出的全光调制器有可能在数百千兆赫的带宽下运行。目前石墨烯在超薄硅光子波导上的混合集成为片上超快、节能的全光信息处理的应用铺平了道路。  Fig 1. 基于超薄硅/石墨烯混合波导的全光调制器示意图。a) 所提出的超薄硅/石墨烯混合波导的 3D 配置。b）超薄硅/石墨烯混合波导的横截面。c) 计算的模态场分布 |E|2超薄硅/石墨烯混合波导的基本TE模式的图2。纤芯宽度wco为1μm，纤芯厚度hco为100 nm，石墨烯的费米能级为0.3 eV，入射波长𝜆=1.55μm。石墨烯区域由红色虚线框显示，整个模拟区域由蓝色虚线框显示。d) 计算面内电场强度|E‖|2对于有和没有石墨烯的情况，横跨石墨烯区域宽度的基本 TE 模式的图。最大电场强度|E| 2归一化为1，其他参数与图1c相同。
 Fig 2. 优化 EIF，以在 𝜆 = 1.55 μm 处实现最大光-石墨烯相互作用。a) 计算出不同芯宽度和厚度值的硅/石墨烯混合波导的 EIF。插图显示了归一化的面内模态场轮廓|E‖|2当纤芯厚度固定为 hco = 100 nm 时，不同纤芯宽度（wco = 600、750、1000 和 1500 nm）的基本 TE 模式的图。b) 计算得出的硅/石墨烯混合波导的 EIF 与 wco = 1 μm 时芯厚度的函数。插图显示了归一化的面内模态场轮廓|E‖| 2 不同纤芯厚度（hco = 50、100、150 和 220 nm）的基本 TE 模式。石墨烯如红线所示。
 Fig 3. 硅/石墨烯混合波导的模拟吸收系数 AG。a) 计算的硅/石墨烯混合波导（芯尺寸分别为 1000 nm × 100 nm 和 500 nm × 220 nm）在 𝜆 = 1.55 μm 时的吸收系数 AG 与费米能级。b) 计算的吸收系数 AG 作为费米能级 0.3 eV 处入射波长的函数。插图显示了归一化的面内模态场轮廓|E‖|2不同入射波长 (𝜆 = 1.4, 1.7 μm) 的基本 TE 和 TM 模式。石墨烯如红线所示。
 Fig 4. 基于超薄硅/石墨烯混合波导的调制器的模拟 MEmax。a) 计算出基本 TE 模式下 1.55 μm 探针信号的 MEmax 与费米能级的关系。插图显示了当泵浦光也是 1.55 μm 时计算出的开关能量与费米能级的函数关系。b) 计算出基本 TE 模式下各种入射波长和费米能级值的 MEmax。
 Fig 5. 超薄硅/石墨烯混合波导的表征。a）超薄硅/石墨烯混合波导的拉曼光谱。插图显示了超薄硅/石墨烯混合波导上的石墨烯片，其中绿色圆圈代表石墨烯已被蚀刻掉的区域，蓝色圆圈代表波导上的图案化石墨烯。b）不同长度石墨烯片的实验透射率数据（点）和拟合曲线（实线）作为输入脉冲能量的函数。这里，轴以对数刻度绘制，相对透射率表示为 10log10 T/ T0 ，其中 T0 和 T 分别是输入和输出处的光功率，不包括耦合损耗。具有 50-μm 长石墨烯片的器件的饱和阈值用三角形标记显示。
 Fig 6. 基于超薄硅/石墨烯混合波导的全光调制演示。a）全光调制表征的实验装置。b) 示波器采集的调制探头信号的时间历史。TLS，可调谐激光源；PC、偏振控制器；EDFA，掺铒光纤放大器；BPF，带通滤波器；PD、光电探测器；OSC，示波器。
相关研究工作由浙江大学Daoxin Dai和国防科技大学Haitao Chen课题组于2023年联合在线发表在《Advanced Optical Materials》期刊上，High-efficiency All-Optical Modulator Based on Ultra-thin Silicon/graphene Hybrid Waveguides，原文链接: https:///10.1002/adom.202301549 对智能机器学习材料和深度学习设计方面的课程的，请点击如下链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5ektIPjJ5xJdEIKhjbI3WA
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