本文關(guān)鍵詞：微納光波導(dǎo)的功能化集成及器件應(yīng)用　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：微納光波導(dǎo)由于具有緊湊、功耗低和光約束能力強等獨特優(yōu)勢,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,同時也為納米光子學(xué)中的基礎(chǔ)研究提供了一個比較成熟的平臺。目前比較常見的微納光波導(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),它們在不同的研究和應(yīng)用場合構(gòu)成各種光學(xué)器件并發(fā)揮著各自的特點和優(yōu)勢。然而,單一材料往往會給器件功能的拓展和性能的提高帶來限制,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很有挑戰(zhàn)的任務(wù)。因此光學(xué)器件的設(shè)計和制備經(jīng)常需要用到不同的光學(xué)材料進行有針對性的功能化集成�；谏鲜隹紤],我們研究了微納光波導(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,我們綜述微納光波導(dǎo)的研究背景及其功能化集成的研究進展,包括一些典型的研究成果。本論文的第二章,我們介紹微納光纖與石墨烯的功能化集成。首先簡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、機械剝離制備以及石墨烯與微納光纖的復(fù)合方法。然后我們展示石墨烯復(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和更長的光-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“泵浦-探測”的測量方法,我們得到石墨烯復(fù)合微納光纖的超快動態(tài)響應(yīng)時間僅為2.2ps,實現(xiàn)超快的全光調(diào)制。最后我們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,我們提出氧化鋅(ZnO)納米線與石墨烯的功能化集成。我們先介紹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)線性光吸收的測量結(jié)果則顯示石墨烯和納米線表面的倏逝波有很強的相互作用。通過計算和全光調(diào)制實驗,我們發(fā)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。本論文第四章,我們研究了硅波導(dǎo)和自由納米線靈活的功能化集成。首先我們介紹硫化鎘(CdS)納米線和稀土摻雜納米光纖的制備方法和光學(xué)特性。其次我們展示CdS納米線與硅波導(dǎo)在光通信波段的近場耦合,并且能夠?qū)崿F(xiàn)接近100%的耦合效率�；诖宋覀冎苽淞嘶旌系腗ach-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納米光纖與硅環(huán)腔復(fù)合,我們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)的功能化集成能夠為光學(xué)器件帶來功能拓展與性能提高。本文的幾項工作,從不同材料和結(jié)構(gòu)各自的特點出發(fā)來進行優(yōu)勢互補,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,我們首次利用石墨烯皮秒量級的載流子弛豫時間實現(xiàn)超快的全光調(diào)制,首次實現(xiàn)硅波導(dǎo)和自由納米線的高效耦合以及相關(guān)的混合集成器件,展示了它們一系列新特點和優(yōu)勢,為微納光波導(dǎo)光學(xué)器件的發(fā)展提供了新的思路。
[Abstract]:This paper introduces the research background and application of micro - nano optical fiber , including micro - nano optical fiber , semiconductor nano wire , integrated optical waveguide and metal surface .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN252;TB383.1

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