石墨烯-硅混合纳米光子集成波导及器件研究

摘要

硅光子学是下一代高速低功耗芯片技术极有前景的解决方案，然而因其实现金硅有源光器件的困难性，硅光子学常常需要其他材料加以辅助。石墨烯恰好是这样一种理想的CMOS兼容光电功能材料。考虑到石墨烯的二维特性，将其与硅光子器件相集成增加光与石墨烯的相互作用也有其必要性。因此，对石墨烯-硅混合纳米光子集成波导及器件的理论与实验研究具有重要意义。
　　对石墨烯光电导率模型的研究直接导致了其在光调制器、光电探测器、表面等离子体光子学等领域的应用。人们对石墨烯与半导体尤其是硅的接触特性的研究大多局限于电学以及空间光的角度。本论文发现了石墨烯-硅混合纳米光子集成波导中的一种超低阈值(～0.1 mW)、偏振相关的石墨烯与硅接触导致的光致诱导透明效应，这种效应使得集成光路的全光、低功率、宽带、远程与本地调制、传感、开关成为可能。
　　反射式波导集成石墨烯光电探测器缩短了吸收区的长度，在一定程度上解决了石墨烯波导集成造成器件长度过长导致工作速度受限的问题，有望实现高速工作。由于具有非对称金属结构，该器件已实现了宽带零偏压下工作，1，550 nm处零偏压响应度高达～0.2 mAW-1。
　　石墨烯表面等离子体波导可以进一步提高集成光路的集成度及光与石墨烯的的相互作用。具有槽形硅衬底的可调石墨烯-硅混合纳米表面等离子体波导，由于其不需要对石墨烯进行图形化，因而避免了许多有害的边缘效应。该波导具有限制能力强、损耗相对较低、群速度低等特性，还能够实现宽中红外频段(30 THz～45 THz)的低偏压相位调制和强度调制，用于超小型的宽带光强度调制器和光开关。强的光物质相互作用及可调慢光特性在许多应用比如非线性中都受到关注。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 硅光子学——-期遇与挑战

1．2 石墨烯的兴起

1．2．1 石墨烯的发现

1．2．2 从石墨烯到基于石墨烯的硅光子学

1．2．3 从自由空间到光子集成

1．3 论文主要内容及创新性

1．3．1 主要内容

1．3．2 创新性

2 石墨烯光子学与光电子学基础

2．1 石墨烯的电子性质

2．1．1 石墨烯的能带结构

2．1．2 石墨烯的其他电子性质

2．2 石墨烯的线性光学性质

2．2．1 石墨烯的通用光电导率

2．2．2 石墨烯的光电导率模型

2．3 石墨烯表面等离子体光子学基础

2．4 本章小结

3 石墨烯-硅混合纳米光子集成波导

3．1 石墨烯-硅混合纳米光子集成波导的制作

3．1．1 硅纳米线工艺简介

3．1．2 石墨烯的转移、图形化及表征

3．1．3 金属电极的制作

3．2 石墨烯-硅混合纳米光子集成波导的光损耗

3．2．1 损耗系数的解析计算与数值仿真

3．2．2 损耗系数的测试结果

3．3 石墨烯与硅的接触及其对波导性质的影响

3．3．1 石墨烯-硅异质结初探

3．3．2 石墨烯-硅混合纳米光子集成波导的光致诱导透明效应

3．4 本章小结

4 波导集成石墨烯光电探测器

4．1 石墨烯光电探测机理

4．1．1 光电探测器的特性参数

4．1．2 石墨烯光电探测的基本原理

4．2 波导型石墨烯光电探测器及其改进

4．2．1 发展及现状

4．2．2 改进思路

4．3 反射式波导集成石墨烯光电探测器的设计

4．3．1 石墨烯-硅混合纳米光子集成波导的结构设计

4．3．2 布拉格反射镜的设计

4．3．3 电极材料的选择和电极的设计

4．4 反射式波导集成石墨烯光电探测器的制作

4．5 反射式波导集成石墨烯光电探测器的测试结果及讨论

4．6 本章小结

5 石墨烯-硅混合纳米表面等离子体波导及器件

5．1 石墨烯表面等离子体的激发与传播

5．1．1 石墨烯表面等离子体的激发

5．1．2 石墨烯表面等离子体波导

5．2 槽形硅基石墨烯纳米表面等离子体波导及应用

5．2．1 中红外石墨烯表面等离子体光子学

5．2．2 槽形硅基石墨烯纳米表面等离子体波导

5．2．3 波导模式的尺寸效应

5．2．4 费米能级对波导性质的影响与光调制器

5．2．5 波导的色散特性

5．2．6 波导耦合与非对称方向耦合器光开关

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历