可调控硅—石墨烯混合纳米线波导及器件的研究

发布时间：2019-11-28 16:54

【摘要】：随着信息技术的飞速发展,人们对于通信网络、高速互连和信息处理提出了更高的要求。硅基光子集成器件凭借体积小、成本低、具有CMOS工艺兼容性的优点,可以实现大规模的光子集成,在光通信、光互连和智能传感等领域发挥着越来越重要的作用。可调控光子集成器件作为光子集成芯片的关键器件,一直受到人们广泛的关注研究。但是,硅材料存在自身的缺陷,通常需要与其他材料混合集成,才能够实现性能良好的有源器件和功能器件。石墨烯是一种新型的二维晶体材料,具有优异的电学、光学、力学和热学等方面的性质。不过,石墨烯的二维结构会限制它与光子的相互作用,不利于石墨烯优异性质的发挥。在本论文中,我们结合硅基光子学和石墨烯各自的优势与需求,提出了硅与石墨烯的混合集成,探究了可调控硅-石墨烯混合纳米线波导及器件的理论建模、制作测试和应用前景。首先,我们介绍了石墨烯的晶格结构、能带理论和光学电导率模型,理论上分析了石墨烯的光学和光电子特性。我们还介绍了两种对石墨烯进行仿真计算的思路方法,并具体计算分析了硅-石墨烯混合纳米线波导的模式和传输损耗等特征。然后,我们探讨了常见的石墨烯样品的制备方法、表征手段和转移工艺,详细介绍了硅纳米线波导器件的制作和测试方法。在此基础上,我们探究了石墨烯与硅纳米线波导混合集成的工艺流程和关键技术。然后,我们设计制作了硅-石墨烯混合纳米线波导,测试分析了混合纳米线波导的基本特性。在硅-石墨烯混合纳米线波导中,我们发现了一种光致透明效应,具有极低的泵浦功率阈值(仅为～2 W/cm2)、局域和非局域(距离远达～4 mm)的光照响应等特性,可以用于实现大带宽、远程控制、低功耗的全光调控功能。通过实验测试与理论建模,我们对光致透明效应的工作机理和全光调控的特性进行了详细分析。接下来,我们提出了石墨烯透明纳米加热电极和石墨烯透明热传导器的设计,制作实现了几种热光调控的微盘谐振器和马赫-曾德干涉器。石墨烯透明纳米加热电极具有比金属加热电极更好的加热效率、工作速度和温度范围,在不平整表面结构和微纳尺寸结构加热方面具有一定的优势。石墨烯透明热传导器利用石墨烯优异的导热性(导热系数高达～5300 W/m·K),可以形成一种非局域的加热效果,对于面发射器件、阵列结构器件等特殊加热场合具有重要应用价值。最后,我们总结了全文的主要内容、研究结论和心得,对硅-石墨烯混合集成光子器件和硅基光子学的研究发展进行了展望。
【图文】：

光接收模块,光子集成,光传输模块,光互连

性能的激光器、光调制器和光电探测器，ｗ及各种无源光子器件，许多器件已逡逑经具备成熟的工芭性能、开始商用化。随着s昊庾友У难芯糠⒄梗庾蛹慑义锨善踩〉昧耸愕慕健Ｈ缤迹保彼荆直鹞纾簦澹ⅲ住⒒停簦椋螅椤ⅲ危裕裕簦缀湾义希希颍幔洌澹郏椋罚莨舅故镜墓庾蛹尚酒芯砍晒ｅ义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义襄五澹簦澹铄逅盗丝阱澹颍铮簦螅垮义蠟靛澹椋停簦殄义希ǎ茫╁未ǎ╁义贤迹保敝菊故镜墓庾蛹赏芯砍晒海ǎ幔╁澹桑睿簦澹旃镜膕昊獯淠？椋唬ǎ猓╁义吓ぃ凸镜男鱯旯饨邮漳？椋唬ǎ茫╁澹危裕怨镜墓一饣チ？椋唬ǎ洌╁澹希颍幔悖欤骞镜膕昊戾义虾霞晒夥⑸浜凸饨邮漳？椤＃酰鳎罚蒎义希盢２可调控s昊庾蛹善骷义峡傻魉┕庾蛹善骷桑。轓B实现对信号光的调制和开关功能，是光通信和光逡逑互连系统中的关键器件，化是最重要的光子集成器件之一。根据调控的原理，逡逑可调控光子集成器件可！＾NB分为电光调控器件、热光调控器件、全光调控器件逡逑等，其基本工作机理是各种不同形式的电光效应、热光效应、Ｆｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙ化效逡逑应、等离子龟散效应（Ｐｌａｓｍａ出ｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ）等。根据调控的对象，，可调控逡逑光子集成器件还可Ｌ义分为折射李型可调控器件和吸收型可调控器件。前者通过逡逑３逡逑

载流子,光子集成器件,耗尽型

为载流子积聚型（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）、注入型（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）和耗尽型（Ｄｅｌｅｔｉｏｎ）逡逑王种。２００４年，Ｉｎｔｅｌ公司利用金属氧化物半导体电容器实现了载流子积聚型的逡逑纯s旯獾骺仄髫瑁缤迹保插澹ǎ幔┧荆徊痪茫茫铮颍睿澹欤齑笱迪至嘶谖⒒沸痴皴义掀鞯淖⑷胄痛縮旯獾骺仄鳎校祝缤迹保玻ǎ猓┧荆唬玻埃埃纺辏龋簦澹旃静捎寐砗眨义显赂缮嫫鹘峁寡兄屏嗽亓髯雍木⌒偷拇縮旯獾骺仄鳎缤迹保玻ǎ悖┧荆溴义纤俣瓤桑蘊B达到４０邋Ｇｂｉｔ／ｓＰｉｌ。送种类型的可调控光子集成器件工艺简单，与标准逡逑ＣＭＯＳ工艺兼容，但是在器件性能方面还有待提高。逡逑芋逦Ｍ？ａｌｃｏｎｔａｃｔ逦；逦ＢＭ邋￣￣邋￣￣！逦＾逡逑N 护叩－？邋—１＂０’，逦n拍臀酱ゼ酉族义稀牛欤危五危螅颍铮睿溴义掀危桑澹邋五澹赍危慑危簦樱拢樱樱樱樱樱箦危停樱拢樱樱樱拢拢渝义希浯怠裕蓿担隆ⅲ藻澹唬唬夯眨觥澹殄义希眿巧－－逦sE芭。娭．逦；．４｜ｊ说逦Ｉ邋／邋１逦W 邋；姦逡逑．．ｈ碱逦－｜１逦／逦—－，节－邋Ｉ逡逑■邋邋逦逦邋逦逦邋？－？逦＾逦ｆＢＷｒｏｆｉＷＭＷＢＵＩＭＷｒｏｉｌｌｉｐｉ叫Ｉ邋Ｉ邋＾逦逦逡逑＇逦。焌逦逦逦，：－＾－．．｜｜｜－＾逦０＊}逦？‘…少‘邋＼邋ｗｖｓｓＭｃｆｅ逡逑伽蜘贿逦／邋；逦
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN814

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