【摘要】：為滿足大容量、高速率、高安全性的數(shù)據(jù)傳輸要求,光通信與光互連技術應運而生,并對器件的集成度提出更高的要求。硅基光電集成被認為是集成光電子領域最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑?目前多種硅基無源光器件已被實現(xiàn)。然而由于硅材料自身的缺陷,硅基有源光器件的實現(xiàn)往往需要其他材料輔助,才能滿足相應的性能要求。石墨烯是一種六方晶格的單原子層二維材料,已被證實在光、電、熱學等領域都有著相當優(yōu)異的性能。將石墨烯與硅結合可有效地提升硅基光電子器件的工作性能,如拓寬器件的工作帶寬、提升器件的響應速率等,并且基于石墨烯-硅混合波導的光電子器件的制備工藝與CMOS工藝兼容。另外石墨烯因其具備優(yōu)越的飽和吸收特性而被廣泛應用于脈沖激光產(chǎn)生系統(tǒng)中,極大地促進了超短脈沖光源的發(fā)展。本文基于石墨烯的飽和吸收特性,開展了石墨烯-硅混合波導脈沖激光器的系列研究,實驗上實現(xiàn)了在硅波導中直接產(chǎn)生脈沖激光,提供了一種片上脈沖光源的解決方案。主要內容如下:(1)加工制備了石墨烯-硅混合波導,對制備的器件進行性能表征,測量了混合波導在通信波段光學線性吸收和飽和吸收的特征參數(shù)。得出條形波導和脊形波導上石墨烯的線性吸收系數(shù)分別為0.1 dB/μm和0.045 dB/μm,該實驗測量值與仿真計算值吻合。得出片上石墨烯飽和吸收體的飽和吸收閾值功率密度約為1 GW/cm~2,混合波導內載流子馳豫恢復時間約為48 ps。(2)基于石墨烯-硅混合波導設計環(huán)形腔脈沖激光器,在混合波導器件插損為~19dB的情況下,獲得了脈寬為1.2 ps的鎖模脈沖。通過調節(jié)泵浦功率和腔內偏振態(tài),在同一根混合波導中分別產(chǎn)生了調Q、鎖模及調Q鎖模脈沖。波導光柵耦合器經(jīng)優(yōu)化后,混合波導器件插損約為11 dB,此時鎖模啟動的泵浦功率閾值為~45 mW。(3)設計了一種基于混合波導的集成型線形腔脈沖激光器,實現(xiàn)了重復頻率為6.45 MHz脈沖光的產(chǎn)生,初步的實驗結果驗證了該方案的可行性。
【圖文】：

圖 1-1 石墨烯-硅混合波導的器件分類烯超高的載流子遷移率可加快硅探測器的探測速率，其寬帶吸收特器的工作帶寬，另外還可通過增加石墨烯與波導倏逝場作用的長度高石墨烯光電探測器的響應率。圖 1-2（a）給出的是基于石墨烯-硅測器的結構示意圖和光電響應測試結果圖[18]。在一個懸空的硅波導，石墨烯和硅接觸形成肖特基結，因此接觸面存在內建電場。外部穴對在內建電場的作用下分離形成電流，基于這個物理機制可以制太陽能電池。該器件可探測從可見光到紅外波段的光信號，第一次波長為 2.75 μm 中紅外波段的信號，在偏壓 1.5 V 時響應高達 0.13烯在常溫下熱導率和熱損傷閾值較高[19-20]，適合用于熱光調制系統(tǒng)調器采用金屬導熱方式，硅波導上需要鋪設一層比較厚的 SiO2層來收。SiO2熱導率較低，，因而器件的熱光調制速率較慢。圖 1-2（b）

圖 1-2 基于石墨烯-硅混合波導的（a）光電探測器[18]；（b）熱光調制器[21]；（c）全光吸收調制器[22]；（d）全光非線性相位調制器[23]全光調制是直接對信號光進行調制的一種方式，可分為全光相位調制和全光吸收調制。相比于電光調制和熱光調制，全光調制不需要經(jīng)過電光或熱光轉換過程，可以實現(xiàn)低功耗、高速率的光調控，被認為是光子集成技術的一個重要發(fā)展方向。全光吸收調制又可分為基于光致透明效應和基于飽和吸收效應。圖 1-2（c）為基于石墨烯-硅混合波導的全光吸收調制器[22]，利用的是光致透明效應。波長為 1560 nm 的信號光從混合波導光柵耦合器的一端進入一端輸出，波長為 635 nm 的泵浦光采用空間照射的方式進入石墨烯，泵浦光打開時信號光功率變大，也就是泵浦光的照射使器件的插損變小，即石墨烯對信號光的吸收變弱。因此可通過控制泵浦光的開、關對信號光進行調制。光致透明效現(xiàn)象可解釋為：硅波導吸收泵浦光后產(chǎn)生的載流子進入了石墨烯中，相當于對石墨烯進行間接摻雜，從而改變此時石墨烯對信號光的吸收特性。為了證明
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN248

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 楊彪;李智勇;肖希;Nemkova Anastasia;余金中;俞育德;;硅基光柵耦合器的研究進展[J];物理學報;2013年18期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 姜建飛;硅基多模波導光柵濾波器的研究[D];浙江大學;2018年

2 邱暉曄;基于波導光柵的硅基集成光器件研究[D];浙江大學;2014年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 胡同歡;二維材料轉移技術研究及其在光纖激光器中的應用[D];湖南大學;2015年

本文編號：2679612