【摘要】：高速、寬帶、緊湊的光調制器是十分重要的光通信系統(tǒng)器件,石墨烯具備的費米能級可調、超高載流子遷移率以及超高熱導率等特性,使其與光波導結合的調制器滿足寬帶寬、超快調制、高集成度、低調制功耗等需求。氮化硅波導與硅波導相比,具有傳輸損耗小、非線性損耗低、制備工藝簡單等優(yōu)點。本論文以基于雙條形氮化硅光波導結構的石墨烯電光調制器、TM-Pass偏振器和基于氮化硅微環(huán)諧振器結構的石墨烯熱光調制器作為研究對象,重點研究了器件的調制原理、結構仿真設計和性能分析。本文首先通過有限元算法對基于雙條形氮化硅波導的四層石墨烯電吸收光調制器進行設計和優(yōu)化,得益于石墨烯層之間的共電極設計,器件的總電阻降低了50%。結果表明所提出的石墨烯調制器實現(xiàn)了在1550nm波長下3dB調制的有源長度為18.09μm,調制器的消光比和品質因數分別達到0.1658dB/μm和9.7,調制帶寬高達30.6GHz,并且調制開關電壓范圍只有ΔV=3.8180V和能量消耗為780.50fJ/bit。利用該四層石墨烯/雙條形氮化硅波導混合結構對TE模式吸收強,TM模式吸收弱的傳輸特性,該波導結構還可作為低損耗和寬帶TM-Pass偏振器。當偏振器的長度為200μm時,TE模式的插入損耗可達39.2dB,TM模式的插入損耗只有0.8dB,從而使得偏振器的消光比ER高達38.4dB。另外,該偏振器也可實現(xiàn)在1520-1720nm寬帶波長范圍內高于33.8dB的消光比和低于0.87dB的插入損耗。最后設計了易于制備的單層石墨烯氮化硅微環(huán)熱光調制器,數值仿真得到該調制器的消光比達到40dB,半高全寬(FWHM)為0.33nm,上升和下降響應時間分別為17.8μs和18.3μs。同時,對石墨烯的轉移進行了實驗探究和表征,并初步實驗制備器件。通過以上研究,對氮化硅波導平臺上的低損耗緊湊高速調制器和寬帶偏振器進行了補充。同時,提出的石墨烯氮化硅微環(huán)熱光調制器具有良好的調諧性能和可行性。
【圖文】：

[22]，該調制器的三維結構和波導中傳輸的光場分布如圖 1.1 所示。圖1.1 單層石墨烯調制器的三維結構圖和波導中光場分布圖該調制器在入射光為 1.53μm 時，調制深度 0.1dB/μm，，器件 3dB 調制帶寬最大為1.2GHz，調制光帶寬范圍為 1.35μm-1.6μm，器件僅有 25μm2，工作電壓范圍：-4V-4V。但是由于該調制器只有一層石墨烯對光吸收調制，以及器件中使用硅波導同時作為調制器的接入負極，導致該調制器的插入損耗較大，實現(xiàn)消光比效果不佳。2012 年

其結構如圖 1.2 所示。與單層的石墨烯調制器相比，該雙層石墨烯調制器在調制效率、消光比和調制深度等方面得到了改善。圖1.2 雙層石墨烯調制器的橫截面圖和三維結構圖
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1

【參考文獻】

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本文編號：2613733