石墨烯辅助玻璃基集成光学器件的研究

发布时间：2017-10-02 05:11

  本文关键词：石墨烯辅助玻璃基集成光学器件的研究

  更多相关文章： 石墨烯 集成光学 玻璃基离子交换技术 选择掩埋波导 光起偏器 光探测器

【摘要】：随着高速率、大容量光通信系统的不断发展,对相关的光电子器件提出了更高的要求,尤其是集成光学器件。其中,玻璃基离子交换技术由于其成本低廉、工艺简单、易于大批量生产等优异特性,被广泛应用于制作波分复用器、光分路器、光放大器等集成光学器件。然而由于玻璃材料的电光特性和热光特性较差,很难制作光探测器等有源光器件,限制了其在集成光学中的应用。近年来,石墨烯凭借其优异的物理性能受到了广泛的关注。石墨烯是由单层碳原子以蜂窝状结构组成的二维晶体材料,它具有电子迁移率高、透光率高、对很宽波长范围的光具有均一吸收率等优点,使其在集成光电子技术中的应用受到了重视。而基于石墨烯/光波导的混合波导的集成光学器件,如光起偏器、光探测器和光调制器等,表现出了优异特性,证明石墨烯可以很好的将本身的特性附加到光波导上。基于上述论证,本论文的研究主要集中于将石墨烯材料与玻璃材料相结合,利用石墨烯优异的电学和光学特性,实现高性能、低成本的石墨烯辅助玻璃基集成光学器件。本文对基于石墨烯/玻璃混合波导的光起偏器及光敏电阻型光探测器的理论、制作工艺及性能进行了详细地研究和分析,提出了一种在玻璃衬底上实现有源光器件的解决方案,以拓宽其在集成光学中的应用。本文的主要研究成果和创新点包括：1.提出了一种改进的选择掩埋波导制作工艺。为了实现石墨烯等功能材料与玻璃波导的混合集成,就需要制作具有低损耗且包含和功能材料高敏感的表面波导区域的玻璃基波导——选择掩埋波导,为此,本文提出了一种改进的制作工艺,它以背面电极来精确控制波导结构,以背面介电层来阻挡电场,制作出过渡区域的损耗仅0.28 dB(波长为1550nm)的选择掩埋波导,该工艺更加稳定,对波导结构的控制更加精确。通过对大量实验结果的分析,建立了基于此工艺的选择掩埋波导的结构模型,为制作石墨烯/玻璃混合波导及选择掩埋波导传感器一一如温度传感器、折射率传感器等提供了基础。2.提出了一种基于石墨烯/玻璃混合波导的光起偏器。利用石墨烯对很宽波长范围的光具有均一的吸收率及其金属特性,通过对石墨烯/玻璃混合波导的分析得知,混合波导中传输的横磁模(TM模)的损耗系数远远大于横电模(TE模),且两个损耗系数之间的差随石墨烯化学势降低而升高。本文根据此原理设计并制作出基于混合波导的光起偏器,并提出利用PMMA降低石墨烯化学势的方法来提高器件的消光比,得到长度仅为4mm,在通信波段的O波段和C波段的消光比达到27 dB的集成光学起偏器,大大提高了玻璃基光起偏器的工作波长范围。3.提出了一种基于石墨烯/玻璃混合波导的光敏电阻型光探测器。当石墨烯吸收光后,重掺杂石墨烯中电子的温度升高,使得石墨烯的有效费米能级降低,导致其有效载流子浓度降低,因此石墨烯的电导率将随光照而降低,根据此原理,本文设计并制作了石墨烯长度为4 mm的石墨烯/玻璃混合波导光敏电阻型光探测器,并对其进行了测试,结果表明,当光波长为1510-1630nm、外加偏置电压仅0.1 V时,器件响应度高达约0.75 A/W,为在玻璃衬底上实现有源光器件提供一种新的方法。
【关键词】：石墨烯 集成光学 玻璃基离子交换技术 选择掩埋波导 光起偏器 光探测器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN256;TQ127.11
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-39
• 1.1 前言13-14
• 1.2 玻璃基离子交换工艺14-19
• 1.3 石墨烯的电学和光学特性19-21
• 1.3.1 电学特性20
• 1.3.2 光学特性20-21
• 1.4 石墨烯混合波导光电子器件21-31
• 1.4.1 基于石墨烯混合波导的光起偏器21-24
• 1.4.2 基于石墨烯混合波导光探测器24-28
• 1.4.3 基于石墨烯混合波导光调制器28-31
• 1.5 本文的研究意义和结构31-32
• 参考文献32-39
• 第二章 玻璃基选择掩埋波导39-63
• 2.1 前言39-40
• 2.2 选择掩埋波导形成理论40-45
• 2.2.1 离子交换工艺40-41
• 2.2.2 模型仿真41-45
• 2.3 选择掩埋波导的制作45-50
• 2.3.1 工艺流程45-47
• 2.3.2 背面介电材料的选择47-49
• 2.3.3 选择掩埋波导芯片的设计49-50
• 2.4 选择掩埋波导的结果与分析50-57
• 2.4.1 掩埋深度和过渡区域的结果与分析50-53
• 2.4.2 插入损耗的测试结果与分析53-57
• 2.5 基于选择掩埋波导的传感器的制作与分析57-60
• 2.5.1 模型仿真57-59
• 2.5.2 温度传感器的制作与分析59-60
• 2.6 本章小结60-61
• 参考文献61-63
• 第三章 石墨烯/玻璃混合波导光起偏器63-87
• 3.1 前言63
• 3.2 光起偏器的理论分析63-71
• 3.2.1 石墨烯的折射率63-66
• 3.2.2 光起偏器模型仿真66-71
• 3.3 光起偏器的制作71-74
• 3.4 光起偏器参数优化74-81
• 3.4.1 波导结构的选择74
• 3.4.2 制作工艺的选择74-78
• 3.4.3 掩埋深度和波导宽度的优化78-79
• 3.4.4 石墨烯长度的优化79-81
• 3.5 光起偏器的光学特性81-83
• 3.6 本章小结83-84
• 参考文献84-87
• 第四章 石墨烯/玻璃混合波导光探测器87-110
• 4.1 前言87-88
• 4.2 光探测器的理论分析88-92
• 4.2.1 金属掺杂结光探测器89-90
• 4.2.2 光敏电阻型光探测器90-92
• 4.3 光探测器的设计与制作92-96
• 4.3.1 光探测器的设计92-95
• 4.3.2 光探测器的制作95-96
• 4.4 光探测器的结果与分析96-106
• 4.4.1 金属掺杂结探测器97-103
• 4.4.2 光敏电阻型光探测器103-106
• 4.5 本章小结106-107
• 参考文献107-110
• 第五章 总结与展望110-113
• 5.1 总结110-111
• 5.2 工作中存在的不足与展望111-113
• 攻读博士期间的科研成果113

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