基于级联低维材料的全光二极管器件研究

摘要

伴随全光网络的进步，全光信号处理技术因高速度、低成本等优势渐渐成为电子信息领域的探究热点。相较于电子器件，光子器件有其特有优势：光子的传输不受回路分布延迟的影响，其时间响应和通信容量相对来说高得多，从而可以避免电信号处理时由电学器件所带来的速度极限的制约。此外，在进行全光信号处理时，不需要电光/光电转换器，这可以极大地减少系统成本，简化设备复杂度。　　在全光信息处理中，光整流器件是最基本的光信息处理单元，其功能对应电子器件中的二极管，即只允许光由单一方向通过(即顺向偏压)，反向时阻断光传输(即逆向偏压)。目前，研究人员通过磁光效应、光子晶体、液晶调制器等手段，可以打破全光器件的时间反演对称性，并允许光信号单向传输。但是，现有的空间非互易光学器件体积大、效率低、工作波长有限，而且需要引入外场，从而在一定程度上限制了全光信息处理系统发展，尤其是在集成光电子器件领域。　　伴随新型低维材料的发展，其宽带的光学响应、可调的吸收、紧凑的结构和易于制备等特性为实现新型全光信息处理器件提供了可能。目前，研究人员基于低维材料的非线性吸收特性已经实现了结构紧凑、光互易能力可调的光二极管器件，但是光学二极管的稳定性、宽波段工作能力仍需要探索。围绕紧凑、宽带、低成本非互易光学器件的发展需求，本文研究了基于低维材料级联结构的全光非互易器件，理论结合实验验证了器件功能。本文主要工作内容如下：　　(1)研究了C60-锑薄膜级联结构的非线性传输特性，实验实现了宽波段、高非互易性、无相位匹配限制、偏振无关的光学二极管功能。基于Z扫描和P扫描测量方法，实验研究了锑薄膜和C60薄膜在780nm波段和1560nm波段的非线性吸收特性，获得了其非线性吸收系数、调制深度和饱和光强等参数。建立了基于级联结构的全光二极管的理论模型，数值模拟了不同参数对全光二极管非互异性因子改变的影响。实验证明了基于C60-Sb体系的宽带无源全光二极管的可行性，其光学非互异性因子在780nm处约为5dB，在1560nm处为2dB。　　(2)研究了C60-碲化锑级联结构的空间自相位调制效应，实现了稳定的非互异性光传输。通过空间自相位调制方法，实验研究了低维碲化锑材料的非线性光学响应特性，获得了样品浓度对衍射环数目演化的影响。通过C60-低维碲化锑材料级联结构，演示了其非线性光学二极管功能。如果光线从正向(碲化锑/C60方向)通过该体系，衍射环可以被激发；反之，实验只能获得高斯光。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 低维材料非线性光学进展

1.3 光子二极管器件研究现状

1.3.1 传统光隔离器

1.3.2 基于光子晶体的全光二极管

1.3.3 基于低维材料的全光二极管

1.4 论文的研究工作与安排

第2章 非线性光学理论及测试方法

2.1 非线性光学基础

2.1.1 非线性吸收

2.1.2 非线性折射

2.2 非线性光学测量技术

2.2.1 Z扫描技术

2.2.2 P扫描技术

2.2.3 SSPM技术

2.3 小结

第3章 基于C60-锑薄膜的宽带无源全光二极管

3.1 材料制备及表征

3.1.1 材料表征基本方法

3.1.2 锑薄膜的制备与表征

3.1.3 C60的制备与表征

3.2 宽带非线性光学吸收特性

3.2.1 780 nm波段

3.2.2 1560 nm波段

3.3 宽带无源全光二极管

3.3.1 理论模型

3.3.2 实验分析

3.4 小结

第4章 基于C60-Sb2Te3体系的全光二极管

4.1碲化锑材料表征

4.2 非线性响应特性

4.2.1 空间自相位调制实验

4.2.2 实验结果及分析

4.3 无源全光二极管的实现

4.4 小结

总结与展望

1. 本文工作的总结

2. 下一步工作的展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

致谢