基于大范圍可調(diào)材料的光調(diào)制器件的研究.pdf

1、在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)電互聯(lián)的通信方式經(jīng)歷了超過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)逐漸在信息傳輸速度、功耗以及晶體管特征尺寸這三方面遇到了發(fā)展的天花板，但光電子學(xué)的研究為通信互聯(lián)技術(shù)打開了另一扇大門?；冖?Ⅴ族材料和鍺、硅等體材料所制作的光電子基礎(chǔ)器件，為曾經(jīng)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)，但由于傳統(tǒng)材料自身的光電效應(yīng)較弱，介電常數(shù)（ε）的可調(diào)范圍太小，因此尋找和使用新材料就變得非常關(guān)鍵。2004年，當(dāng)石墨烯這種二維材料被發(fā)現(xiàn)之后，它的ε大范圍可調(diào)

2、特性、超高的載流子遷移率、形態(tài)的自由可塑性以及它在金屬/介質(zhì)兩個(gè)類別中的可切換性，引起了全世界光電子學(xué)者的高度關(guān)注。在2011年A. Vakil等學(xué)者揭示了石墨烯表面介電常數(shù)的計(jì)算方法之后，集成光電子領(lǐng)域中有關(guān)石墨烯的研究成果開始如雨后春筍般頻頻出現(xiàn)。速度為30GHz的電光調(diào)制器、200GHz的全光調(diào)制器、消光比達(dá)到27 dB的偏振器以及響應(yīng)速度可達(dá)500GHz的光電探測(cè)器等基礎(chǔ)器件的報(bào)道，都預(yù)示著石墨烯將在集成光電子學(xué)的發(fā)展中扮演一個(gè)

3、舉足輕重的角色。運(yùn)用ε可調(diào)的材料控制光信號(hào)的傳輸，是設(shè)計(jì)光調(diào)制器件最基本的思路。本文以石墨烯、AZO（摻鋁氧化鋅）等新材料結(jié)合硅基平臺(tái)，利用新材料的ε從正值到負(fù)值之間的大范圍可調(diào)特性，針對(duì)硅波導(dǎo)和石墨烯表面等離子波導(dǎo)，對(duì)光調(diào)制器和光開關(guān)等基礎(chǔ)器件進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證的工作，旨在從器件的消光比、特征尺寸、調(diào)制速度等指標(biāo)上取得突破。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴石墨烯和某些氧化物材料具有ε實(shí)部可調(diào)到接近于零的特殊性質(zhì)，我們將這一點(diǎn)運(yùn)

4、用在微環(huán)諧振器上，設(shè)計(jì)了一種光開關(guān)。由于石墨烯的各向異性阻礙了設(shè)計(jì)，我們討論了用AZO代替石墨烯。將AZO與硅基波導(dǎo)結(jié)合制成微環(huán)諧振腔，當(dāng)AZO處于初始狀態(tài)時(shí)，其介電常數(shù)與構(gòu)成微環(huán)的硅材料很接近，同時(shí)損耗非常微弱，在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)能讓整個(gè)微環(huán)處于諧振狀態(tài)，保證光信號(hào)從下載端輸出；通過電摻雜改變AZO內(nèi)部的載流子濃度，當(dāng)其介電常數(shù)被調(diào)到零附近時(shí)，巨大的介電常數(shù)差異讓光能量集中在AZO薄層，并且?guī)韲?yán)重的光損耗，使得微環(huán)喪失諧振特性，從而

5、特定波長(zhǎng)的光信號(hào)只能從直通端輸出，由此構(gòu)成了一種2×2光開關(guān)。這種器件的設(shè)計(jì)可以同時(shí)適用于TE模式和TM模式的導(dǎo)模，開關(guān)消光比均可以達(dá)到30dB左右。⑵ε實(shí)部接近于零的材料，被適當(dāng)?shù)耐鈿ぐ梢栽谕ǖ烂娣e非常狹窄的情況下，讓特定頻率的電磁波在其內(nèi)部進(jìn)行傳輸，這一特性被本文運(yùn)用于設(shè)計(jì)超緊湊的光調(diào)制器和光開關(guān)。將石墨烯與二氧化硅材料堆疊，設(shè)計(jì)成周期性的超材料，并將其當(dāng)作普通硅波導(dǎo)的連接通道。通過調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢(shì)，可以改變周期性超材料的等

6、效介電常數(shù)，從而切換整個(gè)光波導(dǎo)的通斷狀態(tài)；通過利用常規(guī)金屬材料代替虛擬的完美電導(dǎo)體，充當(dāng)超材料通道的包裹層，探究這種器件的可實(shí)現(xiàn)性?；谶@些工作，本文提出了一種特征尺寸僅有15nm的電光調(diào)制器和一種1×2光開關(guān)。此二者實(shí)現(xiàn)3dB消光比所需的電壓均低于1 V，而最高消光比均可以達(dá)到約10dB。⑶在特定的摻雜條件下，石墨烯的ε實(shí)部可以被調(diào)節(jié)成一個(gè)負(fù)值，因而石墨烯具有成為表面等離激元波導(dǎo)的能力；同時(shí)，石墨烯在受到外部光照時(shí)，碳原子內(nèi)部的熱載流