21世紀以來,人類社會信息化進程加快,數(shù)據(jù)處理和傳輸量急劇增長。目前,人類社會處理數(shù)據(jù)、傳輸信息的主要載體是集成電路,然而隨著電子器件的集成度越來越高,人們在單位面積芯片上集成更多的晶體管越來越困難,摩爾定律越來越難維持,人們開始研究集成電路的替代品。光子與電子不同的物理性質(zhì)決定了集成光路具有更寬的帶寬和更快的傳輸速度,人們將目光轉(zhuǎn)向集成光子芯片。雖然硅有發(fā)光效率低、電光效應(yīng)弱等物理上的缺點,但硅作為一種非常成功的集成電路材料,具有成熟的CMOS加工工藝,所以硅成為了集成光子學(xué)主導(dǎo)的材料平臺。目前的硅基光器件主要還是針對特定的需求去研發(fā)制作,然后通過光纖或波導(dǎo)實現(xiàn)元器件之間的互聯(lián)。所以人們設(shè)計了很多硅基光器件,這些器件的發(fā)明為硅基光子集成的高效傳輸和調(diào)控提供了保障。光柵作為一種重要的衍射光學(xué)器件,獨特的衍射性質(zhì)使它在耦合、模式轉(zhuǎn)化、濾波等方面都有重要的應(yīng)用�；诠鈻沤Y(jié)構(gòu),本文做了兩方面的工作,一:設(shè)計了一種基于雙層光柵的垂直耦合器,二:在太陽能吸光薄膜上引入光柵,提高電池的陷光能力。(1)垂直耦合器�，F(xiàn)在的集成光路主要通過光纖將各光學(xué)元器件連接起來,達到光互聯(lián)的目的,光纖-芯片間的高效耦合具有很大的應(yīng)用前景。光纖端面與波導(dǎo)間尺寸差距引起的模式失配,嚴重地影響了兩者之間的耦合效率,傳統(tǒng)的矩形光柵很難實現(xiàn)真正的垂直耦合。所以,本文設(shè)計了一種基于雙層光柵的耦合器結(jié)構(gòu),通過連續(xù)兩次光柵衍射實現(xiàn)高效地垂直耦合。原理上,這種耦合器克服了單層光柵背反射強的缺點,利用上下放置的兩個光柵,實現(xiàn)了對光路傳播方向90度的偏折。選取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù),在1500-1600nm波段,這種垂直耦合器達到了 58%的耦合效率,2db帶寬為60nm。(2)光柵結(jié)構(gòu)在提高太陽能電池陷光能力上的應(yīng)用。太陽能是一種清潔、可再生的能源,太陽能的高效開發(fā)一直是人們研究的熱點。太陽能電池就是利用光生伏打效應(yīng)將光直接轉(zhuǎn)化為電的裝置,它的發(fā)電原理是:特殊材料的基態(tài)電子吸收光子能量后躍遷,躍遷電子注入半導(dǎo)體導(dǎo)帶。所以,將光“限制”在介質(zhì)分子層能有效提高載流子生成效率,提高電池的轉(zhuǎn)換效率。我們設(shè)計了一種基于衍射光柵的陷光結(jié)構(gòu),通過在電池薄膜引入光柵,成功的提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。當引入的光柵周期是750nm,占空比是0.65時,在350-850nm波段,這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池獲得了 19.7%的轉(zhuǎn)換效率。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN25
【部分圖文】：

圖１．１．１晶體管制成隨時間變化｜４｜逡逑芯片制程［５，６］的大小體現(xiàn)了加工工藝的先進與否，目前的芯片制成已經(jīng)縮小逡逑到了邋７ｎｍ，這意味著芯片上最小線寬僅為７ｎｍ，在這種尺寸＂１、就不得不考慮粒子逡逑

圖１．１．２電通信和光通信的距離／帶寬對比圖丨７］逡逑集成光子學(xué)主導(dǎo)材料平臺的確定存在過較大的爭議。目前的光子學(xué)主要使用逡逑硅基材料，主要是因為硅基光路兼容成熟的ＣＭＯＳ加工工藝，但是硅材料一些逡逑不理想的物理性質(zhì)卻使得它在早期沒有立即進入人們的視線，這其中有三個主要逡逑原因：逡逑１．硅是一種間接帶隙的半導(dǎo)體材料，在電子受激輻射過程中，除了要吸收大于電逡逑子躍徖需要的能量，還需要電子聲子相互作用使動量發(fā)生改變，所以硅材料不適逡逑合作光器件，硅基激光器的研究存在困難。逡逑２．硅沒有快速強烈的電光調(diào)制效應(yīng)，硅的非線性效應(yīng)不強，對外加電場或ＤＣ的逡逑響應(yīng)比較弱，如克爾效應(yīng)［８，９］和泡克爾斯效應(yīng)［１０，１１］，常規(guī)方法不易有效快速地逡逑實現(xiàn)光調(diào)制。逡逑３？硅的禁帶寬度為１．１２ｕｍ，當信號光波長在紅外區(qū)時，硅對信號光沒有很好的響逡逑

逑Ｊ邋０．邋１Ｍ邋１Ｍ邋１０Ｍ邐１００Ｍ邋１ＫＭ邋１０ＫＭ邋１００ＫＭ逡逑圖１．１．２電通信和光通信的距離／帶寬對比圖丨７］逡逑集成光子學(xué)主導(dǎo)材料平臺的確定存在過較大的爭議。目前的光子學(xué)主要使用逡逑硅基材料，主要是因為硅基光路兼容成熟的ＣＭＯＳ加工工藝，但是硅材料一些逡逑不理想的物理性質(zhì)卻使得它在早期沒有立即進入人們的視線，這其中有三個主要逡逑原因：逡逑１．

【參考文獻】

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本文編號：2808532