技术领域

本发明涉及通信技术领域， 尤其涉及一种光调制器及平面光子器件模组。 背景技术

光作为信息传输的载体具有低功耗、 低延迟和大传输带宽等一系列优点， 包括远距离的跨洋光缆传输到数据中心服务器 间光互连的相关技术已相对成 熟并成功商业化。 目前研究显示， 在电路板间以及板上,乃至深入众核处理器 内核的片间和片上信号传输等应用场景使用光 互连技术同样存在着巨大的优 势， 足以优化处理器芯片总体的功耗、 速度、 性能等参数指标。

在光电混合印刷电路板（PCB, 包括柔性 PCB等）， 常用的光信号传输载 体为聚合物波导，在此应用场景中使用聚合物 波导是因为聚合物材料具有种类 繁多、 制备流程简单、 成本低廉、 兼容性好（无定形态可集成）、 低光学传输 损耗（<1 dB/cm )、 低插入损耗（导波模场和光纤模场匹配）等优 点， 所以在 集成度要求一般的光电混合 PCB的板上光互连等应用场景存在较大优势。 在 光电混合 PCB中， 一般包含光源、 调制器、 光学波导、 探测器等模块， 光调 制器作为将电信号转化为光信号的基本单元器 件， 在光电混合 PCB上发挥着 不可替代的作用。此外，在一般基于二氧化硅 波导或聚合物波导的平面光子器 件（PLC ) 中， 设计一种和现有 PLC兼容、 性能表现优异的光调制器模块也 具有相当的商业价值。

目前通常使用的铌酸锂 ( LiNb0 ₃ ) 电光调制器的设计一般遵循以下流程： 基于 LiNb0 ₃ 基底材料， 沿晶体 X方向和 z方向切割， 并使用 Ti元素扩散， 在 LiNb0 ₃ 基底上形成波导， 并设计马赫 -曾德（M-Z )调制器结构。 LiNb0 ₃ 电光 调制器的调制原理利用 LiNb0 ₃ 材料的非线性二次电光效应， 通过调节电压调 制材料的非线性折射率， 并通过 M-Z干涉仪结构把信号的相位调制转化为强 度调制。

所述 LiNb0 ₃ 电光调制器具有如下不足： 首先， 由于 LiNb0 ₃ 材料较为昂 贵， 且波导的制作及结构的设计较为复杂， 因此， LiNb0 ₃ 电光调制器的生产 成本较高， 制作工艺较为复杂。 其次， LiNb0 ₃ 电光调制器的长度一般约为 1 毫米， 尺寸较大。 再者， 由 LiNb0 ₃ 材料决定的 LiNb0 ₃ 电光调制器的调制带 宽的上限约为 40GHz。

此外， 现有技术中还有采用垂直腔面发射激光器 （VCSEL ) 来实现利用 板上光互连技术实现光 PCB上各模块间的信号传输。 具体的光源及调制器方 案如下： 使用倒装封装的 VCSEL激光器， 利用内调制的方式把电信号调制到 光载波上 ,然后利用透镜耦合等方式将加载数据信息的� �波耦合到片上聚合物 波导。 此种方法中， 携带数据信息的光载波是由内调制型 VCSEL激光器产生 的， 所述 VCSEL激光器通过倒装封装的方式与聚合物波导� ��合， 实际生产中 存在下列问题： 1.内调制激光器和聚合物波导不在一个平面耦� ��， 耦合的对准 精度要求高； 2.光电混合 PCB在三维方向存在集成， 系统复杂度升高， 集成 度和稳定性降低； 3.光信号的质量和信号带宽受限于 VCSEL内调制激光器的 发展。 发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供 一种光调制器及平面光子器 件模组， 所述光调制器具有较小集成尺寸并具有较高性 能。

第一方面， 提供了一种光调制器。

光调制器包括聚合物波导、至少一个第一电容 器极板和至少一个第二电容 器极板， 所述聚合物波导包括芯层， 所述第一电容器极板和第二电容器极板相 互分离且均延伸至所述芯层内，在横截面的径 向上， 所述第一电容器极板的投 影与所述第二电容器极板的投影至少部分重合 ， 所述第一电容器极板和 /或第 二电容器极板采用石墨烯薄膜制成，在所述第 一电容器极板与第二电容器极板 之间施加调制电压信号， 改变第一电容器极板和 /或第二电容器极板内的石墨 烯光学吸收系数， 从而实现对聚合物波导中的导波光进行调制。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述 石墨烯薄膜为单层石墨烯或 者寡层石墨烯。

在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述 第一电容器极板与第二电容 器极板相互平行。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第 三种可能的实现方式中， 所 述第一电容器极板与与其相邻的第二电容器极 板之间的距离为 10纳米至 100 纳米。 结合第一方面的第一种至第三种可能的实现方 式，在第四种可能的实现方 式中， 所述聚合物波导还包括上包层和下包层， 所述上包层和下包层从所述芯 层的相对两侧包覆所述芯层， 所述芯层、 下包层及上包层均采用非导电聚合物 材料制成。

结合第一方面的第一种至第三种可能的实现方 式，在第五种可能的实现方 式中，所述第一电容器极板的个数为一个，所 述第二电容器极板的个数为两个， 所述第一电容器极板位于两个所述第二电容器 极板之间。

结合第一方面的第一种至第三种可能的实现方 式，在第六种可能的实现方 式中，所述第一电容器极板的个数为一个，所 述第二电容器极板的个数为一个。

结合第一方面的第一种至第三种可能的实现方 式，在第七种可能的实现方 式中， 所述第一电容器极板的个数为两个以上， 所述第二电容器的个数为两个 以上， 第一电容器极板和第二电容器极板在芯层的厚 度方向上交替排列。

在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述 第一电容器极板采用石墨烯 薄膜制成， 所述第二电容器极板采用导电薄膜制成。

在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述 光调制器还包括第一接触电 极和第二接触电极， 所述第一接触电极与所述第一电容器极板电连 接， 所述第 二接触电极与所述第二电容器极板电连接，所 述第一接触电极与第二接触电极 用于接入调制电压信号。

结合第一方面的第九种可能的实现方式，在第 十种可能的实现方式中， 所 述第一接触电极和第二接触电极的材料为金、 铂、 导电聚合物或者氧化铟锡。

在第一方面的第十种可能的实现方式中， 所述聚合物波导的厚度为 10微 米至 20(H敖米， 所述芯层的横截面为矩形， 矩形横截面的长和宽均为 3 米至 10微米。

另一方面， 提供一种平面光子器件模块。

平面光子器件模块包括激光器、第一驱动电路 、 第二驱动电路及以上各种 可能的实现方式所述的光调制器，所述第一驱 动电路用于控制及驱动所述激光 器发出激光， 所述第二驱动电路用于向所述光调制器施加调 制电压信号， 所述 激光器发出的激光传导至所述光调制器， 所述光调制器用于对激光进行调制。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述 平面光子器件模块还包括光 波导， 所述光波导连接于所述激光器与所述光调制器 之间， 所述光波导用于将 所述激光器出射的激光传导至所述光调制器。

在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述 激光器为可调谐激光器或固 定波长激光器。

本发明中， 光调制器的调制原理基于石墨烯电可调的光吸 收特性， 由于石 墨烯具有超高的载流子迁移率和超快的载流子 弛豫时间 ,结合光波导设计可有 效增强石墨烯和光波模场的相互作用， 所以理论上可以达到 500 GHz的调制 带宽。 此外， 由于光调制器使用的材料为聚合物和石墨烯， 两者的材料成本以 及聚合物波导的制备成本都相对较低， 并有望实现大规模生产。 光调制器具有 很高的调制带宽，并且光语响应范围宽，可应 用于波分复用的应用场景。此外， 由于光调制器基于聚合物波导， 聚合物波导的光波模场和单模光纤的模场相 近， 所以该光调制器和光纤通信器件间的耦合损耗 几乎可以忽略。 因此， 单个 石墨烯聚合物波导光调制器可以作为单元光电 子器件独立封装应用在光通信 领域。 光调制器和光纤通信系统具有艮好的兼容性， 并可以满足将来大带宽的 数据传送对光调制器的要求。 由于单层石墨烯对光的吸收已经达到了 2.3%, 将石墨烯集成到聚合物波导的基模光波模场场 强极大处，有效增强了石墨烯和 光波模场的相互作用， 减小了器件尺寸。 光调制器尺寸的减小， 将会带来系统 集成度的进一步提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是本发明第一较佳实施方式提供的光调制器� �剖面示意图；

图 2是本发明第二较佳实施方式提供的光调制器� �剖面示意图；

图 3是本发明第三较佳实施方式提供的光调制器� �剖面示意图；

图 4是本发明提供的平面光子器件模组的一个较� �实施方式的框图。 具体实施方式 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明 实施例中的技术方案进行清 楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

请参阅图 1 , 为本发明第一技术方案的第一较佳实施方式提 供的一种光调 制器 100。 所述光调制器 100包括衬底 101、 下包层 112、 第一接触电极 121、 第二接触电极 122、 第一电容器极板 131、 两个第二电容器极板 132、 芯层 113 及上包层 111。 所述上包层 111、 芯层 113及下包层 112构成聚合物波导 110。

所述衬底 101用于承载所述聚合物波导 110, 其与下包层 112相接触， 所 述衬底 101的材料可以为硅等， 其具有平整的外表面。 所述衬底 101的材料可 以根据所述石墨婦 /聚合物光调制器 100使用的场景进行选择， 以与其应用场 景相匹配。

芯层 113被上包层 111和下包层 112包覆。具体的， 所述芯层 113的部分 埋入于下包层 112内， 其余部分埋入于上包层 111内。 所述下包层 112的横截 面积大于所述上包层 111的横截面积。 由所述上包层 111、 芯层 113及下包层 112构成的聚合物波导 110的长度为 10微米至 200微米。 所述芯层 113横截 面一般为矩形， 矩形的横截面的长及宽一般为 3微米至 10微米。

所述上包层 111、 下包层 112及芯层 113均采用非导电聚合物材料制成， 红外光波长范围内， 对光基本无吸收。 并且， 所述上包层 111、 下包层 112及 芯层 113选用的材料应为光学特性随环境湿度及温度 变化相对稳定的材料。上 包层 111和下包层 112可以采用相同的材料制成，也可以采用不同 的材料制成。 所述上包层 111和下包层 112选用的材料的光学折射率比芯层 113的材料低。 具体地，可以作为芯层 113的材料为曱基丙烯酸曱酯（卩^1^1入）、聚� �乙婦(？8 )、 聚碳酸酯 （PC ) 、 聚硅氧烷或聚酰亚胺（PI )等。 折射率小于上述作为芯层 113的非导电有机聚合物材料均可以作为上包层 111及下包层 112。 具体的， 当传输激光波长为 1550 nm, 采用曱基丙烯酸曱酯（折射率为 1.49 )或聚苯乙 烯（折射率为 1.59 )作为芯层 113时， 可以采用聚二曱基硅氧烷（PDMS , 折 射率为 1.4 )作为上包层 111及下包层 112。 当采用聚碳酸酯（折射率为 1.61 ) 作为芯层 113的材料， 可以采用紫外固化胶 UV15(Master Bond Co., USA, 折 射率为 1.52 ) )作为上包层 111及下包层 112的材料。

所述第一接触电极 121和第一电容器极板 131相互连接，所述第二接触电 极 122与两个第二电容器极板 132相连接。 本实施例中， 所述第一接触电极 121设置于下包层 112的表面， 并且部分延伸至上包层 111与下包层 112内， 位于所述上包层 111及下包层 112内的部分第一接触电极 121与第一电容器极 板 131相互连接。所述第一电容器极板 131部分位于所述上包层 111和下包层 112内， 其余部分延伸至所述芯层 113内。 所述第二接触电极 122也设置于下 包层 112的表面， 且部分延伸至上包层 111及下包层 112内。 优选地， 所述第 一接触电极 121和第二接触电极 122位于芯层 113的相对两侧。位于所述上包 层 111及下包层 112内的部分第二接触电极 122与第二电容器极板 132分别相 连。 第二电容器极板 132均部分位于所述上包层 111和下包层 112内， 其余部 分延伸至所述芯层 113内。 并且， 两个第二电容器极板 132相互平行， 并与第 一电容器极板 131相互平行。 第一电容器极板 131位于两片第二电容器极板 132之间。 所述第一电容器极板 131与第二电容器极板 132之间的距离为 10 纳米至 100纳米。 优选地， 所述第一电容器极板 131、 第二电容器极板 132均 延伸过所述芯层 113的中心区域，在平行于所述芯层 113的横截面方向上， 所 述第一电容器极板 131 的投影于所述第二电容器极板 132的投影至少部分重 合。 优选地， 第一电容器极板 131、 第二电容器极板 132相互重叠的位置位于 所述芯层 113的中心， 即芯层 113中基模光场场强极大处， 以增加第一电容器 极板 131、 第二电容器极板 132与光波模场的相互作用。

所述第一电容器极板 131、 第二电容器极板 132为石墨烯薄膜。 所述石墨 烯薄膜可以为单层石墨烯， 也可以为寡层石墨烯（原子层数为 2至 10层） 。 所述第一接触电极 121和第二接触电极 122的材料可以为金或者铂等，第一接 触电极 121和第二接触电极 122也可以为导电聚合物薄膜或者氧化铟锡薄膜 。

所述第一接触电极 121和第二接触电极 122用于与外加电压连接，从而与 第一接触电极 121连接的第一电容器极板 131作为电容器极板一极，与第二接 触电极 122连接的第二电容器极板 132作为电容器极板另一极，通过在第一接 触电极 121和第二接触电极 122施加调制信号的电压，实现对第一电容器极 板 131、 第二电容器极板 132内的石墨烯的载流子掺杂， 改变石墨烯的光学吸收 系数， 从而实现对第一电容器极板 131、 第二电容器极板 132内的石墨烯的光 学系数的调制。

可以理解的是，本实施方式提供的光调制器 100也可以不包括第一接触电 极 121和第二接触电极 122, 而直接将第一电容器极板 131、 第二电容器极板 132作为电极连接至电源的两极。

本实施方式中的第一电容器极板 131、 第二电容器极板 132均采用石墨烯 薄膜制成，由于石墨烯材料本身具有的超快载 流子迁移速率和极短的弛豫时间 ( 2 ps量级） 。 因此， 光调制器 100的调制带宽可以达到 500GHz。 并且， 本 实施例中的聚合物波导 110的长度为 10微米至 200微米， 因此， 聚合物波导 的长度对光调制器 100的调制带宽几乎没有影响。 当光源在所述光调制器 100 导波时，如果在两极之间施加调制电压信号， 就可以将数据信号调制到光信号 上。

光调制器 100的调制原理基于石墨烯电可调的光吸收特性 ，由于石墨烯具 有超高的载流子迁移率和超快的载流子弛豫时 间，结合光波导设计可有效增强 石墨烯和光波模场的相互作用， 所以理论上可以达到 500 GHz的调制带宽。 此外， 由于光调制器 100使用的材料为聚合物和石墨烯， 两者的材料成本以及 聚合物波导的制备成本都相对较低， 并有望实现大规模生产。

光调制器 100具有很高的调制带宽， 并且光语响应范围宽， 可应用于波分 复用的应用场景。 此外， 由于光调制器 100基于聚合物波导， 聚合物波导的光 波模场和单模光纤的模场相近，所以该光调制 器和光纤通信器件间的耦合损耗 几乎可以忽略。 因此，单个石墨烯聚合物波导光调制器 100可以作为单元光电 子器件独立封装应用在光通信领域。光调制器 100和光纤通信系统具有 4艮好的 兼容性， 并可以满足将来大带宽的数据传送对光调制器 的要求。

由于单层石墨烯对光的吸收已经达到了 2.3%, 将石墨烯集成到聚合物波 导的基模光波模场场强极大处，有效增强了石 墨烯和光波模场的相互作用， 减 小了器件尺寸。 由于光调制器 100尺寸较小， 可以提高系统集成度。

请参阅图 2, 本发明第一技术方案第二较佳实施方式提供一 种光调制器 200。 本实施方式提供的光调制器 200与第一实施方式提供的光调制器 100的 结构相近， 工作的原理及实现的功能也相近。 光调制器 200包括衬底 201、 下 包层 212、 第一接触电极 221、 第二接触电极 222、 第一电容器极板 231、 第二 电容器极板 232、 芯层 213及上包层 211。 不同之处在于， 光调制器 200的第 二电容器极板 232的个数为 1个。

在其他实施方式中， 第一电容器极板 231 的个数可以为两个或者两个以 器极板 231和第二电容器极板 232的个数均为两个以上时， 第一电容器极板 231和第二电容器极板 232在芯层 213的厚度方向上交替排列且相互平行。 第 一电容器极板 231与其相邻的第二电容器极板 232之间的距离为 10纳米至 100 纳米。

请参阅图 3 , 本发明第一技术方案的第三较佳实施方式提供 一种光调制器 300。 本实施方式提供的光调制器 300与第二实施方式提供的光调制器 200的 结构相近， 工作的原理及实现的功能也相近。 光调制器 300包括衬底 301、 下 包层 312、 第一接触电极 321、 第二接触电极 322、 第一电容器极板 331、 第二 电容器极板 332、 芯层 313及上包层 311。 不同之处在于， 光调制器 300的第 二电容器极板 332采用导电薄膜材料制成。 所述导电薄膜与所述芯层 313、 上 包层 311及下包层 312的材料具有相似的介电特性，且所述导电薄 膜应具有较 快的载流子迁移速度和驰豫时间。 所述导电薄膜的材料具体可以为聚乙烯、 聚 苯胺、 聚吡咯、 聚噻吩和聚对苯乙烯撑等。

请参阅图 4, 本发明的第二技术方案的一个较佳实施方式提 供一种平面光 子器件（PLC )模块 10, 所述平面光子器件模块 10其包括激光器 20、 第一驱 动电路 30、光波导 40、第二驱动电路 50及本发明第一技术方案提供的光调制 器。 本实施方式中， 以第一技术方案的第一较佳实施方式提供的光 调制器 100 为例来进行说明。

所述激光器 20 可以为可调谐激光器或固定波长激光器。 所述激光器 100 用于发射激光。 所述第一驱动电路 30与激光器 100电性连接， 用于控制并驱 动所述激光器 20发射激光。 所述光波导 40连接于激光器 20与光调制器 100 之间， 用于将激光器 20发出的激光传导至光调制器 100。 所述光调制器 100 将激光进行调制后输出。 所述第二驱动电路 50与光调制器 100电性连接， 用 于将电调制信号加载到光调制器 100上， 从而实现对导波激光的调制。

利用光调制器 100作为片上光调制器， 可设计小尺寸、 低功耗、 大带宽的 单片集成的平面光子器件模块 10。 可以理解的是，所述激光器 20与光调制器 100之间也可以不连接有光波导 40, 而将激光器 20直接与光调制器 100相连接， 激光器 20出射的激光直接传 导至所述光调制器 100内。

最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限 制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说 明， 本领域的普通技术人员 应当理解： 本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本 技术领域的技术人员 在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明 的 保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为 准。