基于石墨烯-硅混合波导的脉冲激光器的研究

发布时间：2020-05-25 05:00

【摘要】：为满足大容量、高速率、高安全性的数据传输要求,光通信与光互连技术应运而生,并对器件的集成度提出更高的要求。硅基光电集成被认为是集成光电子领域最具发展潜力的方向之一,目前多种硅基无源光器件已被实现。然而由于硅材料自身的缺陷,硅基有源光器件的实现往往需要其他材料辅助,才能满足相应的性能要求。石墨烯是一种六方晶格的单原子层二维材料,已被证实在光、电、热学等领域都有着相当优异的性能。将石墨烯与硅结合可有效地提升硅基光电子器件的工作性能,如拓宽器件的工作带宽、提升器件的响应速率等,并且基于石墨烯-硅混合波导的光电子器件的制备工艺与CMOS工艺兼容。另外石墨烯因其具备优越的饱和吸收特性而被广泛应用于脉冲激光产生系统中,极大地促进了超短脉冲光源的发展。本文基于石墨烯的饱和吸收特性,开展了石墨烯-硅混合波导脉冲激光器的系列研究,实验上实现了在硅波导中直接产生脉冲激光,提供了一种片上脉冲光源的解决方案。主要内容如下:(1)加工制备了石墨烯-硅混合波导,对制备的器件进行性能表征,测量了混合波导在通信波段光学线性吸收和饱和吸收的特征参数。得出条形波导和脊形波导上石墨烯的线性吸收系数分别为0.1 dB/μm和0.045 dB/μm,该实验测量值与仿真计算值吻合。得出片上石墨烯饱和吸收体的饱和吸收阈值功率密度约为1 GW/cm~2,混合波导内载流子驰豫恢复时间约为48 ps。(2)基于石墨烯-硅混合波导设计环形腔脉冲激光器,在混合波导器件插损为~19dB的情况下,获得了脉宽为1.2 ps的锁模脉冲。通过调节泵浦功率和腔内偏振态,在同一根混合波导中分别产生了调Q、锁模及调Q锁模脉冲。波导光栅耦合器经优化后,混合波导器件插损约为11 dB,此时锁模启动的泵浦功率阈值为~45 mW。(3)设计了一种基于混合波导的集成型线形腔脉冲激光器,实现了重复频率为6.45 MHz脉冲光的产生,初步的实验结果验证了该方案的可行性。
【图文】：

图 1-1 石墨烯-硅混合波导的器件分类烯超高的载流子迁移率可加快硅探测器的探测速率，其宽带吸收特器的工作带宽，另外还可通过增加石墨烯与波导倏逝场作用的长度高石墨烯光电探测器的响应率。图 1-2（a）给出的是基于石墨烯-硅测器的结构示意图和光电响应测试结果图[18]。在一个悬空的硅波导，石墨烯和硅接触形成肖特基结，因此接触面存在内建电场。外部穴对在内建电场的作用下分离形成电流，基于这个物理机制可以制太阳能电池。该器件可探测从可见光到红外波段的光信号，第一次波长为 2.75 μm 中红外波段的信号，在偏压 1.5 V 时响应高达 0.13烯在常温下热导率和热损伤阈值较高[19-20]，适合用于热光调制系统调器采用金属导热方式，硅波导上需要铺设一层比较厚的 SiO2层来收。SiO2热导率较低，，因而器件的热光调制速率较慢。图 1-2（b）

图 1-2 基于石墨烯-硅混合波导的（a）光电探测器[18]；（b）热光调制器[21]；（c）全光吸收调制器[22]；（d）全光非线性相位调制器[23]全光调制是直接对信号光进行调制的一种方式，可分为全光相位调制和全光吸收调制。相比于电光调制和热光调制，全光调制不需要经过电光或热光转换过程，可以实现低功耗、高速率的光调控，被认为是光子集成技术的一个重要发展方向。全光吸收调制又可分为基于光致透明效应和基于饱和吸收效应。图 1-2（c）为基于石墨烯-硅混合波导的全光吸收调制器[22]，利用的是光致透明效应。波长为 1560 nm 的信号光从混合波导光栅耦合器的一端进入一端输出，波长为 635 nm 的泵浦光采用空间照射的方式进入石墨烯，泵浦光打开时信号光功率变大，也就是泵浦光的照射使器件的插损变小，即石墨烯对信号光的吸收变弱。因此可通过控制泵浦光的开、关对信号光进行调制。光致透明效现象可解释为：硅波导吸收泵浦光后产生的载流子进入了石墨烯中，相当于对石墨烯进行间接掺杂，从而改变此时石墨烯对信号光的吸收特性。为了证明
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248

【参考文献】

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中国博士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：2679612