基于透明导电材料的光电子器件

发布时间：2020-09-15 19:16

　　 飞速发展的信息技术对光电子集成器件提出了更高的要求。现有的光电子器件,特别是作为光纤通信网络核心器件的光调制器,在集成密度、功耗和传输速率等方面都受到限制,迫切需要在材料和器件方面取得突破。在硅基集成芯片或光纤结构中嵌入像铟锡氧化物(ITO)或石墨烯这样的透明导电材料(TCMs),能提升光电子器件的性能,是研究热点。本论文研究了多种基于ITO-和石墨烯辅助的芯片集成和光纤结构的偏振不敏感的光调制器(PIMs)和电吸收光调制器(EAMs)。所研究的各类光调制器具有体积小、功耗低、消光比大、插入损耗低、调制速率高和调制带宽宽等特点。论文设计并研究了四种光调制器件,并利用二维全矢量有限元方法研究了石墨烯的强度相关的光学非线性,主要工作如下:1)研究了基于石墨烯的D型光纤的电吸收光学调制器。其特点是采用石墨烯-绝缘层-石墨烯的三明治结构,并转移到D型光纤上,利用电吸收效应,从而实现电吸收光调制。与当前报道的类似结构相比,本方案的光-石墨烯相互作用引起的有效折射率改变量提高了三倍,有效长度为80μm,消光比达到17.80 dB,插入损耗为2.71 dB,3-d B调制带宽高达97.26 GHz,并且功耗仅为24.30 fJ/bit。2)研究了基于石墨烯芯片集成的偏振不敏感电光调制器,通过将石墨烯-绝缘层-石墨烯的三明治结构实现90°弯折,覆盖在硅波导上,并在该结构上生长一层硅和一层二氧化硅层,从而确保调制器对光波的TE模和TM模的吸收相等,最终实现偏振不敏感电光调制器。对于TE模,该器件的消光比为18.87 dB,插入损耗为2.32 dB,品质因子为8.14。同时,对于TM模,该器件的消光比为19.39 dB,插入损耗为2.41 dB,品质因子为8.04,且在12μm长的调制器上,所需功耗仅为1.28 fJ/bit,同时具有62.74 GHz的3-dB的调制带宽。工作波段覆盖1500~1590 nm,范围高达90 nm。其偏振损耗低至0.1 dB,TE和TM模之间的功率衰减容余高达0.82 dB。3)研究了基于ITO的偏振不敏感光纤电光调制器。通过转移Al/HfO_2/ITO/HfO_2层包裹D型光纤纤芯,实现偏振不敏感光纤电光调制器。该调制器具有微米级的小尺寸以及低的偏振损耗。同时,对于TE模,其消光比高达23.71 dB,插入损耗仅为1.01 dB。对于TM模,其消光比高达23.93 dB,插入损耗仅为1.07 dB。对于10μm长的调制区域,其功耗仅为0.39 pJ/bit,3-dB调制带宽为45.85 GHz,并且偏振损耗仅为0.056 dB。工作波段覆盖1475~1625nm,范围高达150nm。4)研究了一种基于ITO芯片集成的电吸收调制器,该器件通过权衡消光比和插入损耗,实现高的品质因子。同时还具有低功耗和宽带宽。权衡消光比和插入损耗主要是通过设计硅基波导的侧壁角度以及选择低载流子聚集区作为光调制器的开状态来实现。结合Si/ITO/HfO_2/Si结构的电吸收调制器的消光比为6.81dB/μm,插入损耗仅为0.019 dB/μm,品质因子高达337,且功耗为20 pJ/bit,3-dB调制带宽为78.85 GHz。同时,其3-dB的调制长度为440 nm,工作波段覆盖1440~1660 nm,范围高达220 nm。相比传统类似结构的调制器,品质因子提高了110%,同时3-dB的调制长度缩短了29.26%。5)研究了石墨烯在D型光纤中的光学非线性效应。具体研究了石墨烯在不同的费米能级和在不同D型光纤结构中的光学非线性。研究发现其有效非线性系数高达10~6 W~(-1)m~(-1),高于传统类似器件两个数量级。同时利用这类波导的高色散和高非线性特性,结合慢光结构,可以使得在微米尺寸的器件工作功率达到瓦级。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN15

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本文编号：2819355