微納光波導(dǎo)的功能化集成及器件應(yīng)用.pdf

1、微納光波導(dǎo)由于具有緊湊、功耗低和光約束能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在光通信、光信息處理以及光學(xué)傳感等方面有廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也為納米光子學(xué)中的基礎(chǔ)研究提供了一個(gè)比較成熟的平臺(tái)。目前比較常見(jiàn)的微納光波導(dǎo)包括微納光纖、半導(dǎo)體納米線、集成光波導(dǎo)和金屬表面等離激元波導(dǎo)，它們?cè)诓煌难芯亢蛻?yīng)用場(chǎng)合構(gòu)成各種光學(xué)器件并發(fā)揮著各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。然而，單一材料往往會(huì)給器件功能的拓展和性能的提高帶來(lái)限制，比如硅的間接帶隙使得制備基于純硅的集成光源成為一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)的

2、任務(wù)。因此光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和制備經(jīng)常需要用到不同的光學(xué)材料進(jìn)行有針對(duì)性的功能化集成。基于上述考慮，研究了微納光波導(dǎo)功能化集成及相關(guān)器件應(yīng)用，包括微納光纖和半導(dǎo)體納米線與石墨烯的功能化集成，以及硅波導(dǎo)與自由納米線靈活的功能化集成，展示了基于石墨烯飽和吸收特性的超快全光調(diào)制器，和基于硅波導(dǎo)-納米線集成光路的光子器件。
　　本論文的第一章，綜述微納光波導(dǎo)的研究背景及其功能化集成的研究進(jìn)展，包括一些典型的研究成果。
　　本論文的第二章

3、，介紹微納光纖與石墨烯的功能化集成。首先簡(jiǎn)要介紹微納光纖的模式理論分析、制備和傳輸特性表征，接著是石墨烯的光學(xué)特性、機(jī)械剝離制備以及石墨烯與微納光纖的復(fù)合方法。然后展示石墨烯復(fù)合微納光纖的非線性飽和吸收特性以及在超快全光調(diào)制方面的應(yīng)用。得益于微納光纖表面的高比例倏逝場(chǎng)和更長(zhǎng)的光-石墨烯相互作用距離，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出相比光垂直照射石墨烯更顯著的飽和吸收效應(yīng)。通過(guò)“泵浦-探測(cè)”的測(cè)量方法，得到石墨烯復(fù)合微納光纖的超快動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅為2.2

4、 ps，實(shí)現(xiàn)超快的全光調(diào)制。最后還探索了包覆在納米光纖上石墨烯的熒光特性。
　　本論文的第三章，提出氧化鋅(ZnO)納米線與石墨烯的功能化集成。先介紹ZnO的光波導(dǎo)特性及相關(guān)應(yīng)用，然后展示石墨烯復(fù)合ZnO納米線的制備、表征和器件應(yīng)用。通過(guò)拉曼光譜和電子顯微鏡表征結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)石墨烯平滑緊密地包覆在納米線上，并且保持了完好的晶體結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)線性光吸收的測(cè)量結(jié)果則顯示石墨烯和納米線表面的倏逝波有很強(qiáng)的相互作用。通過(guò)計(jì)算和全光調(diào)制實(shí)驗(yàn)，發(fā)

5、現(xiàn)ZnO納米線更高的折射率在降低開關(guān)光的功率方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　本論文第四章，研究了硅波導(dǎo)和自由納米線靈活的功能化集成。首先介紹硫化鎘(CdS)納米線和稀土摻雜納米光纖的制備方法和光學(xué)特性。其次展示CdS納米線與硅波導(dǎo)在光通信波段的近場(chǎng)耦合，并且能夠?qū)崿F(xiàn)接近100％的耦合效率。基于此制備了混合的Mach-Zehnder干涉器及跑道形諧振腔，并以全光調(diào)制的方式演示了納米線具有比硅波導(dǎo)高4倍的調(diào)制效果。最后，利用鉺鐿共摻碲酸鹽玻璃

6、納米光纖與硅環(huán)腔復(fù)合，演示了光通信波段的片上光源。
　　本論文的第五章為上述工作的總結(jié)與展望。
　　微納光波導(dǎo)的功能化集成能夠?yàn)楣鈱W(xué)器件帶來(lái)功能拓展與性能提高。本文的幾項(xiàng)工作，從不同材料和結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)出發(fā)來(lái)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制備和研究了微納光纖/納米線和石墨烯的復(fù)合光學(xué)器件以及硅波導(dǎo)-納米線混合集成光路。在這些工作當(dāng)中，首次利用石墨烯皮秒量級(jí)的載流子弛豫時(shí)間實(shí)現(xiàn)超快的全光調(diào)制，首次實(shí)現(xiàn)硅波導(dǎo)和自由納米線的高效耦合以及相關(guān)的混合