衍射光栅的性质及应用

发布时间：2020-08-29 12:11

　　 21世纪以来,人类社会信息化进程加快,数据处理和传输量急剧增长。目前,人类社会处理数据、传输信息的主要载体是集成电路,然而随着电子器件的集成度越来越高,人们在单位面积芯片上集成更多的晶体管越来越困难,摩尔定律越来越难维持,人们开始研究集成电路的替代品。光子与电子不同的物理性质决定了集成光路具有更宽的带宽和更快的传输速度,人们将目光转向集成光子芯片。虽然硅有发光效率低、电光效应弱等物理上的缺点,但硅作为一种非常成功的集成电路材料,具有成熟的CMOS加工工艺,所以硅成为了集成光子学主导的材料平台。目前的硅基光器件主要还是针对特定的需求去研发制作,然后通过光纤或波导实现元器件之间的互联。所以人们设计了很多硅基光器件,这些器件的发明为硅基光子集成的高效传输和调控提供了保障。光栅作为一种重要的衍射光学器件,独特的衍射性质使它在耦合、模式转化、滤波等方面都有重要的应用。基于光栅结构,本文做了两方面的工作,一:设计了一种基于双层光栅的垂直耦合器,二:在太阳能吸光薄膜上引入光栅,提高电池的陷光能力。(1)垂直耦合器。现在的集成光路主要通过光纤将各光学元器件连接起来,达到光互联的目的,光纤-芯片间的高效耦合具有很大的应用前景。光纤端面与波导间尺寸差距引起的模式失配,严重地影响了两者之间的耦合效率,传统的矩形光栅很难实现真正的垂直耦合。所以,本文设计了一种基于双层光栅的耦合器结构,通过连续两次光栅衍射实现高效地垂直耦合。原理上,这种耦合器克服了单层光栅背反射强的缺点,利用上下放置的两个光栅,实现了对光路传播方向90度的偏折。选取合理的结构参数,在1500-1600nm波段,这种垂直耦合器达到了 58%的耦合效率,2db带宽为60nm。(2)光栅结构在提高太阳能电池陷光能力上的应用。太阳能是一种清洁、可再生的能源,太阳能的高效开发一直是人们研究的热点。太阳能电池就是利用光生伏打效应将光直接转化为电的装置,它的发电原理是:特殊材料的基态电子吸收光子能量后跃迁,跃迁电子注入半导体导带。所以,将光“限制”在介质分子层能有效提高载流子生成效率,提高电池的转换效率。我们设计了一种基于衍射光栅的陷光结构,通过在电池薄膜引入光栅,成功的提高了电池的转换效率。当引入的光栅周期是750nm,占空比是0.65时,在350-850nm波段,这种结构的太阳能电池获得了 19.7%的转换效率。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN25
【部分图文】：

晶体管,芯片,制程,加工工艺

图１．１．１晶体管制成随时间变化｜４｜逡逑芯片制程［５，６］的大小体现了加工工艺的先进与否，目前的芯片制成已经缩小逡逑到了邋７ｎｍ，这意味着芯片上最小线宽仅为７ｎｍ，在这种尺寸＂１、就不得不考虑粒子逡逑

对比图,电通,带宽,对比图

图１．１．２电通信和光通信的距离／带宽对比图丨７］逡逑集成光子学主导材料平台的确定存在过较大的争议。目前的光子学主要使用逡逑硅基材料，主要是因为硅基光路兼容成熟的ＣＭＯＳ加工工艺，但是硅材料一些逡逑不理想的物理性质却使得它在早期没有立即进入人们的视线，这其中有三个主要逡逑原因：逡逑１．硅是一种间接带隙的半导体材料，在电子受激辐射过程中，除了要吸收大于电逡逑子跃徖需要的能量，还需要电子声子相互作用使动量发生改变，所以硅材料不适逡逑合作光器件，硅基激光器的研究存在困难。逡逑２．硅没有快速强烈的电光调制效应，硅的非线性效应不强，对外加电场或ＤＣ的逡逑响应比较弱，如克尔效应［８，９］和泡克尔斯效应［１０，１１］，常规方法不易有效快速地逡逑实现光调制。逡逑３？硅的禁带宽度为１．１２ｕｍ，当信号光波长在红外区时，硅对信号光没有很好的响逡逑

对比图,光缆

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【参考文献】