石墨烯电光调制特性及器件研究
发布时间：2022-01-16 23:33
高速发展的信息化进程,导致了需要传递和处理的信息量日益呈爆炸性增长,以光纤通信网络为主的信息网络面临巨大挑战。因为光调制器是实现将电信号调制到光载波上的关键性器件,所以飞速发展的光纤通信网络对光调制器性能方面提出了更高的要求,如更高调制速率、更小体积、更低功耗和可集成等。然而现有基于传统电光材料的光调制器因自身材料的限制,已无法满足这些需求。石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构的新型材料,在室温下具有超高速的电子迁移速度、优良的电光学特性、并且与CMOS工艺兼容,将石墨烯应用在光调制器中有望使光调制器在带宽、尺寸、功耗、集成度等方面都能展现出显著的改进,已成为了国内外研究的新兴热点。本论文主要研究了石墨烯的电光调制特性及基于石墨烯的电光调制器。论文对石墨烯电光特性建立数值模型,将石墨烯与硅光波导结合,设计了几种基于石墨烯的光调制器的新型结构,研究了纳米加工工艺流程及其相关的光掩膜版图设计,掌握了石墨烯材料的准备和转移技术,完成了集总型光调制器和行波型光调制器的制备。具体研究工作如下:1.综述了石墨烯材料的制备方法、石墨烯材料的表征技术和光波导设计分析的方法。常用石墨烯制备的主要方法包括机...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于LiNbO3材料的M-Z光调制器工作原理示意图
结构如图 1-2(a)和图1-2(b)所示[44]。其中，脊形 Si 波导宽为 600 nm，厚度为 250 nm，调制区域为 25 μm2，图 1-2 首次在实验室制备出的吸收型石墨烯光调制器[44]。(a)石墨烯光波导横截面示意图；(b)石墨烯光调制器三维结构示意图；(c)石墨烯随着外加偏置电压的光吸收原理示意图；(d)石墨烯光调制器的频率响应曲线
在脊形波导的一侧，有 50 nm 厚度的掺杂 Si 坯层从脊形波导延伸出来连接金属电极作为接地电极，转移石墨烯覆盖在脊形波导的上表面，中间用 7 nm 厚的氧化铝隔离开来，并在脊形波导的另一侧延伸出来接金属电极，多余部分的石墨烯可用氧化等离子体刻蚀去除。避免电极处电场对波导光信号的影响，金属电极距离脊形 Si 波导 500 nm。通过外加偏压调控石墨烯材料的费米能级，以改变光波导靠近石墨烯层消逝场的光吸收，从而实现电致光吸收调制。如图 1-2(c)所示，只有当外加偏置电压调控石墨烯的费米能级在|μc| < /2 时石墨烯才表现出较强的光吸收，而在|μc| > /2 时几乎对光是透明的，从而通过外加偏置电压可以控制光调制器的“关”和“开”。这样结构的石墨烯光调制器工作在 1.35~1.60 μm 波长范围内的调制深度可以达到 0.1 dB/μm，但 3 dB 调制带宽只有 1 GHz，如图 1-2(d)所示。2012 年张翔课题组科学家又提出基于双层石墨烯的吸收型光调制器结构[49]，如图 1-3(a)所示，直接利用两层石墨烯分别与金属电极相连接，两层石墨烯用较薄的氧化铝绝缘材料隔离开来。这种结构减小了插入损耗，提高了调制深度(0.1dB/μm)，但其 3dB 调制带宽并未得到很大的改善，只有 1.2 GHz，如图 1-3(b)所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]云计算数据中心光互连网络:研究现状与趋势[J]. 余晓杉,王琨,顾华玺,王曦. 计算机学报. 2015(10)
[2]基于石墨烯的半导体光电器件研究进展[J]. 尹伟红,韩勤,杨晓红. 物理学报. 2012(24)
[3]基于LiNbO3调制器的40GHz宽带调制光源的设计[J]. 祝宁华,黄亨沛,谢亮,刘宇,曾雄文. 半导体学报. 2006(12)
[4]高速LiNbO3电光调制器的最新研究进展[J]. 张金令,代志勇,刘永智. 半导体光电. 2006(05)
硕士论文
[1]电光调制器行波电极系统及器件测试分析[D]. 朱桂华.吉林大学 2008
[2]聚合物电光调制器行波电极系统研究[D]. 鹿飞.清华大学 2004
本文编号：3593623
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于LiNbO3材料的M-Z光调制器工作原理示意图
结构如图 1-2(a)和图1-2(b)所示[44]。其中，脊形 Si 波导宽为 600 nm，厚度为 250 nm，调制区域为 25 μm2，图 1-2 首次在实验室制备出的吸收型石墨烯光调制器[44]。(a)石墨烯光波导横截面示意图；(b)石墨烯光调制器三维结构示意图；(c)石墨烯随着外加偏置电压的光吸收原理示意图；(d)石墨烯光调制器的频率响应曲线
在脊形波导的一侧，有 50 nm 厚度的掺杂 Si 坯层从脊形波导延伸出来连接金属电极作为接地电极，转移石墨烯覆盖在脊形波导的上表面，中间用 7 nm 厚的氧化铝隔离开来，并在脊形波导的另一侧延伸出来接金属电极，多余部分的石墨烯可用氧化等离子体刻蚀去除。避免电极处电场对波导光信号的影响，金属电极距离脊形 Si 波导 500 nm。通过外加偏压调控石墨烯材料的费米能级，以改变光波导靠近石墨烯层消逝场的光吸收，从而实现电致光吸收调制。如图 1-2(c)所示，只有当外加偏置电压调控石墨烯的费米能级在|μc| < /2 时石墨烯才表现出较强的光吸收，而在|μc| > /2 时几乎对光是透明的，从而通过外加偏置电压可以控制光调制器的“关”和“开”。这样结构的石墨烯光调制器工作在 1.35~1.60 μm 波长范围内的调制深度可以达到 0.1 dB/μm，但 3 dB 调制带宽只有 1 GHz，如图 1-2(d)所示。2012 年张翔课题组科学家又提出基于双层石墨烯的吸收型光调制器结构[49]，如图 1-3(a)所示，直接利用两层石墨烯分别与金属电极相连接，两层石墨烯用较薄的氧化铝绝缘材料隔离开来。这种结构减小了插入损耗，提高了调制深度(0.1dB/μm)，但其 3dB 调制带宽并未得到很大的改善，只有 1.2 GHz，如图 1-3(b)所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]云计算数据中心光互连网络:研究现状与趋势[J]. 余晓杉,王琨,顾华玺,王曦. 计算机学报. 2015(10)
[2]基于石墨烯的半导体光电器件研究进展[J]. 尹伟红,韩勤,杨晓红. 物理学报. 2012(24)
[3]基于LiNbO3调制器的40GHz宽带调制光源的设计[J]. 祝宁华,黄亨沛,谢亮,刘宇,曾雄文. 半导体学报. 2006(12)
[4]高速LiNbO3电光调制器的最新研究进展[J]. 张金令,代志勇,刘永智. 半导体光电. 2006(05)
硕士论文
[1]电光调制器行波电极系统及器件测试分析[D]. 朱桂华.吉林大学 2008
[2]聚合物电光调制器行波电极系统研究[D]. 鹿飞.清华大学 2004
本文编号：3593623
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