基于大范圍可調(diào)材料的光調(diào)制器件的研究.pdf

1、在信息技術飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)電互聯(lián)的通信方式經(jīng)歷了超過半個世紀的發(fā)展，已經(jīng)逐漸在信息傳輸速度、功耗以及晶體管特征尺寸這三方面遇到了發(fā)展的天花板，但光電子學的研究為通信互聯(lián)技術打開了另一扇大門。基于Ⅲ-Ⅴ族材料和鍺、硅等體材料所制作的光電子基礎器件，為曾經(jīng)的研究奠定了一定的基礎，但由于傳統(tǒng)材料自身的光電效應較弱，介電常數(shù)（ε）的可調(diào)范圍太小，因此尋找和使用新材料就變得非常關鍵。2004年，當石墨烯這種二維材料被發(fā)現(xiàn)之后，它的ε大范圍可調(diào)

2、特性、超高的載流子遷移率、形態(tài)的自由可塑性以及它在金屬/介質(zhì)兩個類別中的可切換性，引起了全世界光電子學者的高度關注。在2011年A. Vakil等學者揭示了石墨烯表面介電常數(shù)的計算方法之后，集成光電子領域中有關石墨烯的研究成果開始如雨后春筍般頻頻出現(xiàn)。速度為30GHz的電光調(diào)制器、200GHz的全光調(diào)制器、消光比達到27 dB的偏振器以及響應速度可達500GHz的光電探測器等基礎器件的報道，都預示著石墨烯將在集成光電子學的發(fā)展中扮演一個

3、舉足輕重的角色。運用ε可調(diào)的材料控制光信號的傳輸，是設計光調(diào)制器件最基本的思路。本文以石墨烯、AZO（摻鋁氧化鋅）等新材料結(jié)合硅基平臺，利用新材料的ε從正值到負值之間的大范圍可調(diào)特性，針對硅波導和石墨烯表面等離子波導，對光調(diào)制器和光開關等基礎器件進行了理論設計和仿真驗證的工作，旨在從器件的消光比、特征尺寸、調(diào)制速度等指標上取得突破。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴石墨烯和某些氧化物材料具有ε實部可調(diào)到接近于零的特殊性質(zhì)，我們將這一點運

4、用在微環(huán)諧振器上，設計了一種光開關。由于石墨烯的各向異性阻礙了設計，我們討論了用AZO代替石墨烯。將AZO與硅基波導結(jié)合制成微環(huán)諧振腔，當AZO處于初始狀態(tài)時，其介電常數(shù)與構(gòu)成微環(huán)的硅材料很接近，同時損耗非常微弱，在特定的波長范圍內(nèi)能讓整個微環(huán)處于諧振狀態(tài)，保證光信號從下載端輸出；通過電摻雜改變AZO內(nèi)部的載流子濃度，當其介電常數(shù)被調(diào)到零附近時，巨大的介電常數(shù)差異讓光能量集中在AZO薄層，并且?guī)韲乐氐墓鈸p耗，使得微環(huán)喪失諧振特性，從而

5、特定波長的光信號只能從直通端輸出，由此構(gòu)成了一種2×2光開關。這種器件的設計可以同時適用于TE模式和TM模式的導模，開關消光比均可以達到30dB左右。⑵ε實部接近于零的材料，被適當?shù)耐鈿ぐ?，可以在通道面積非常狹窄的情況下，讓特定頻率的電磁波在其內(nèi)部進行傳輸，這一特性被本文運用于設計超緊湊的光調(diào)制器和光開關。將石墨烯與二氧化硅材料堆疊，設計成周期性的超材料，并將其當作普通硅波導的連接通道。通過調(diào)節(jié)石墨烯的化學勢，可以改變周期性超材料的等

6、效介電常數(shù)，從而切換整個光波導的通斷狀態(tài)；通過利用常規(guī)金屬材料代替虛擬的完美電導體，充當超材料通道的包裹層，探究這種器件的可實現(xiàn)性。基于這些工作，本文提出了一種特征尺寸僅有15nm的電光調(diào)制器和一種1×2光開關。此二者實現(xiàn)3dB消光比所需的電壓均低于1 V，而最高消光比均可以達到約10dB。⑶在特定的摻雜條件下，石墨烯的ε實部可以被調(diào)節(jié)成一個負值，因而石墨烯具有成為表面等離激元波導的能力；同時，石墨烯在受到外部光照時，碳原子內(nèi)部的熱載流