【摘要】：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對于通信網(wǎng)絡(luò)、高速互連和信息處理提出了更高的要求。硅基光子集成器件憑借體積小、成本低、具有CMOS工藝兼容性的優(yōu)點,可以實現(xiàn)大規(guī)模的光子集成,在光通信、光互連和智能傳感等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用�？烧{(diào)控光子集成器件作為光子集成芯片的關(guān)鍵器件,一直受到人們廣泛的關(guān)注研究。但是,硅材料存在自身的缺陷,通常需要與其他材料混合集成,才能夠?qū)崿F(xiàn)性能良好的有源器件和功能器件。石墨烯是一種新型的二維晶體材料,具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等方面的性質(zhì)。不過,石墨烯的二維結(jié)構(gòu)會限制它與光子的相互作用,不利于石墨烯優(yōu)異性質(zhì)的發(fā)揮。在本論文中,我們結(jié)合硅基光子學(xué)和石墨烯各自的優(yōu)勢與需求,提出了硅與石墨烯的混合集成,探究了可調(diào)控硅-石墨烯混合納米線波導(dǎo)及器件的理論建模、制作測試和應(yīng)用前景。首先,我們介紹了石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)、能帶理論和光學(xué)電導(dǎo)率模型,理論上分析了石墨烯的光學(xué)和光電子特性。我們還介紹了兩種對石墨烯進行仿真計算的思路方法,并具體計算分析了硅-石墨烯混合納米線波導(dǎo)的模式和傳輸損耗等特征。然后,我們探討了常見的石墨烯樣品的制備方法、表征手段和轉(zhuǎn)移工藝,詳細介紹了硅納米線波導(dǎo)器件的制作和測試方法。在此基礎(chǔ)上,我們探究了石墨烯與硅納米線波導(dǎo)混合集成的工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)。然后,我們設(shè)計制作了硅-石墨烯混合納米線波導(dǎo),測試分析了混合納米線波導(dǎo)的基本特性。在硅-石墨烯混合納米線波導(dǎo)中,我們發(fā)現(xiàn)了一種光致透明效應(yīng),具有極低的泵浦功率閾值(僅為～2 W/cm2)、局域和非局域(距離遠達～4 mm)的光照響應(yīng)等特性,可以用于實現(xiàn)大帶寬、遠程控制、低功耗的全光調(diào)控功能。通過實驗測試與理論建模,我們對光致透明效應(yīng)的工作機理和全光調(diào)控的特性進行了詳細分析。接下來,我們提出了石墨烯透明納米加熱電極和石墨烯透明熱傳導(dǎo)器的設(shè)計,制作實現(xiàn)了幾種熱光調(diào)控的微盤諧振器和馬赫-曾德干涉器。石墨烯透明納米加熱電極具有比金屬加熱電極更好的加熱效率、工作速度和溫度范圍,在不平整表面結(jié)構(gòu)和微納尺寸結(jié)構(gòu)加熱方面具有一定的優(yōu)勢。石墨烯透明熱傳導(dǎo)器利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性(導(dǎo)熱系數(shù)高達～5300 W/m·K),可以形成一種非局域的加熱效果,對于面發(fā)射器件、陣列結(jié)構(gòu)器件等特殊加熱場合具有重要應(yīng)用價值。最后,我們總結(jié)了全文的主要內(nèi)容、研究結(jié)論和心得,對硅-石墨烯混合集成光子器件和硅基光子學(xué)的研究發(fā)展進行了展望。
【圖文】：

性能的激光器、光調(diào)制器和光電探測器，ｗ及各種無源光子器件，許多器件已逡逑經(jīng)具備成熟的工芭性能、開始商用化。隨著s昊庾友У難芯糠⒄�，光子集硲亓x锨善踩〉昧聳愕慕�。壤_跡保彼荊直鷂紓簦澹ⅲ�、化Ｍｔｉｓ澧ＮＴＴｔ＞Y灣義希希潁幔洌澹郟椋罰莨舅故鏡墓庾蛹尚酒芯砍曬�。辶x希ǎ幔╁危ǎ猓╁義襄五澹簦澹鑠逅盜絲阱澹潁錚簦�？辶x蠟靛澹椋停簦殄義希ǎ茫╁未ǎ╁義賢跡保敝菊故鏡墓庾蛹賞芯砍曬海ǎ幔╁澹桑睿簦澹旃鏡膕昊獯淠？�；（ｂ）辶x嚇ぃ凸鏡男鱯旯飩郵漳？�；（Ｃ）邋ＮＴＴ公绥R墓一饣チ？�；（ｄ）邋Ｏ}幔悖歟騫鏡膕昊戾義蝦霞曬夥⑸浜凸飩郵漳？欏＃酰鰨罰蒎義希盢２可調(diào)控s昊庾蛹善骷義峽傻魎┕庾蛹善骷桑。轓B實現(xiàn)對信號光的調(diào)制和開關(guān)功能，是光通信和光逡逑互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，化是最重要的光子集成器件之一。根據(jù)調(diào)控的原理，逡逑可調(diào)控光子集成器件可！＾NB分為電光調(diào)控器件、熱光調(diào)控器件、全光調(diào)控器件逡逑等，其基本工作機理是各種不同形式的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、Ｆｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙ化效逡逑應(yīng)、等離子龜散效應(yīng)（Ｐｌａｓｍａ出ｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ）等。根據(jù)調(diào)控的對象，，可調(diào)控逡逑光子集成器件還可Ｌ義分為折射李型可調(diào)控器件和吸收型可調(diào)控器件。前者通過逡逑３逡逑

為載流子積聚型（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）、注入型（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）和耗盡型（Ｄｅｌｅｔｉｏｎ）逡逑王種。２００４年，Ｉｎｔｅｌ公司利用金屬氧化物半導(dǎo)體電容器實現(xiàn)了載流子積聚型的逡逑純s旯獾骺仄髫�，壤_跡保插澹ǎ幔┧荊徊瘓�，ＣｅP潁睿澹歟齏笱迪至嘶諼⒒沸癡皴義掀韉淖⑷胄痛縮旯獾骺仄鰨校�，壤_跡保玻ǎ猓┧荊唬玻埃埃紡輳齲簦澹旃靜捎寐硨眨義顯賂繕嫫鶻峁寡兄屏嗽亓髯雍木⌒偷拇縮旯獾骺仄鰨繽跡保玻ǎ悖┧荊溴義纖俁瓤桑蘊B達到４０邋Ｇｂｉｔ／ｓＰｉｌ。送種類型的可調(diào)控光子集成器件工藝簡單，與標準逡逑ＣＭＯＳ工藝兼容，但是在器件性能方面還有待提高。逡逑芋邐Ｍ？ａｌｃｏｎｔａｃｔ邐；邐ＢＭ邋￣￣邋￣￣！邐＾逡逑N 護叩－？邋—１＂０’，邐n拍臀醬ゼ酉族義稀牛歟危五危螅潁錚睿溴義掀危桑澹邋五澹赍危懾危簦櫻攏櫻櫻櫻櫻櫻簀危停櫻攏櫻櫻櫻攏攏渝義希浯怠裕蓿擔(dān)�、Ｔ邋／‘；；：徽ｖ‘邋ｉ辶x希眿巧－－邐sE芭。娭．邐；．４｜ｊ說邐Ｉ邋／邋１邐W 邋；姦逡逑．．ｈ堿邐－｜１邐／邐—－，節(jié)－邋Ｉ逡逑■邋邋邐邐邋邐邐邋？－？邐＾邐ｆＢＷｒｏｆｉＷＭＷＢＵＩＭＷｒｏｉｌｌｉｐｉ叫Ｉ邋Ｉ邋＾邐邐逡逑＇邐。焌邐邐邐，：－＾－．．｜｜｜－＾邐０＊}邐？‘…少‘邋＼邋ｗｖｓｓＭｃｆｅ逡逑伽蜘賄邐／邋；邐
【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】：TN814

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本文編號：2567094