飛速發(fā)展的信息技術(shù)對光電子集成器件提出了更高的要求。現(xiàn)有的光電子器件,特別是作為光纖通信網(wǎng)絡(luò)核心器件的光調(diào)制器,在集成密度、功耗和傳輸速率等方面都受到限制,迫切需要在材料和器件方面取得突破。在硅基集成芯片或光纖結(jié)構(gòu)中嵌入像銦錫氧化物(ITO)或石墨烯這樣的透明導(dǎo)電材料(TCMs),能提升光電子器件的性能,是研究熱點。本論文研究了多種基于ITO-和石墨烯輔助的芯片集成和光纖結(jié)構(gòu)的偏振不敏感的光調(diào)制器(PIMs)和電吸收光調(diào)制器(EAMs)。所研究的各類光調(diào)制器具有體積小、功耗低、消光比大、插入損耗低、調(diào)制速率高和調(diào)制帶寬寬等特點。論文設(shè)計并研究了四種光調(diào)制器件,并利用二維全矢量有限元方法研究了石墨烯的強度相關(guān)的光學(xué)非線性,主要工作如下:1)研究了基于石墨烯的D型光纖的電吸收光學(xué)調(diào)制器。其特點是采用石墨烯-絕緣層-石墨烯的三明治結(jié)構(gòu),并轉(zhuǎn)移到D型光纖上,利用電吸收效應(yīng),從而實現(xiàn)電吸收光調(diào)制。與當前報道的類似結(jié)構(gòu)相比,本方案的光-石墨烯相互作用引起的有效折射率改變量提高了三倍,有效長度為80μm,消光比達到17.80 dB,插入損耗為2.71 dB,3-d B調(diào)制帶寬高達97.26 GHz,并且功耗僅為24.30 fJ/bit。2)研究了基于石墨烯芯片集成的偏振不敏感電光調(diào)制器,通過將石墨烯-絕緣層-石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)實現(xiàn)90°彎折,覆蓋在硅波導(dǎo)上,并在該結(jié)構(gòu)上生長一層硅和一層二氧化硅層,從而確保調(diào)制器對光波的TE模和TM模的吸收相等,最終實現(xiàn)偏振不敏感電光調(diào)制器。對于TE模,該器件的消光比為18.87 dB,插入損耗為2.32 dB,品質(zhì)因子為8.14。同時,對于TM模,該器件的消光比為19.39 dB,插入損耗為2.41 dB,品質(zhì)因子為8.04,且在12μm長的調(diào)制器上,所需功耗僅為1.28 fJ/bit,同時具有62.74 GHz的3-dB的調(diào)制帶寬。工作波段覆蓋1500~1590 nm,范圍高達90 nm。其偏振損耗低至0.1 dB,TE和TM模之間的功率衰減容余高達0.82 dB。3)研究了基于ITO的偏振不敏感光纖電光調(diào)制器。通過轉(zhuǎn)移Al/HfO_2/ITO/HfO_2層包裹D型光纖纖芯,實現(xiàn)偏振不敏感光纖電光調(diào)制器。該調(diào)制器具有微米級的小尺寸以及低的偏振損耗。同時,對于TE模,其消光比高達23.71 dB,插入損耗僅為1.01 dB。對于TM模,其消光比高達23.93 dB,插入損耗僅為1.07 dB。對于10μm長的調(diào)制區(qū)域,其功耗僅為0.39 pJ/bit,3-dB調(diào)制帶寬為45.85 GHz,并且偏振損耗僅為0.056 dB。工作波段覆蓋1475~1625nm,范圍高達150nm。4)研究了一種基于ITO芯片集成的電吸收調(diào)制器,該器件通過權(quán)衡消光比和插入損耗,實現(xiàn)高的品質(zhì)因子。同時還具有低功耗和寬帶寬。權(quán)衡消光比和插入損耗主要是通過設(shè)計硅基波導(dǎo)的側(cè)壁角度以及選擇低載流子聚集區(qū)作為光調(diào)制器的開狀態(tài)來實現(xiàn)。結(jié)合Si/ITO/HfO_2/Si結(jié)構(gòu)的電吸收調(diào)制器的消光比為6.81dB/μm,插入損耗僅為0.019 dB/μm,品質(zhì)因子高達337,且功耗為20 pJ/bit,3-dB調(diào)制帶寬為78.85 GHz。同時,其3-dB的調(diào)制長度為440 nm,工作波段覆蓋1440~1660 nm,范圍高達220 nm。相比傳統(tǒng)類似結(jié)構(gòu)的調(diào)制器,品質(zhì)因子提高了110%,同時3-dB的調(diào)制長度縮短了29.26%。5)研究了石墨烯在D型光纖中的光學(xué)非線性效應(yīng)。具體研究了石墨烯在不同的費米能級和在不同D型光纖結(jié)構(gòu)中的光學(xué)非線性。研究發(fā)現(xiàn)其有效非線性系數(shù)高達10~6 W~(-1)m~(-1),高于傳統(tǒng)類似器件兩個數(shù)量級。同時利用這類波導(dǎo)的高色散和高非線性特性,結(jié)合慢光結(jié)構(gòu),可以使得在微米尺寸的器件工作功率達到瓦級。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN15

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本文編號：2819355