基于石墨烯與硅基納米光波導復合結構的電光調制技術研究.pdf

1、隨著現代數字化電子信息產業(yè)的發(fā)展，人們對電子儲存器件的數據容量、電子信息處理器的運算速度提出的要求也越來越高。與電信號相比，光信號具有數據容量大、傳輸速度快、不受電磁場干擾等優(yōu)點，因而要達到大數據量存儲、高速處理和低功耗這些要求，急需通過光電芯片來打破微電子產業(yè)摩爾定律的限制。而硅基納米光波導是構成光電芯片的基礎單元，它可以在納米尺度下完成光信號的傳輸與處理，是實現光子器件小型化、集成化必不可少的單元。
　　石墨烯作為一種新興的二

2、維材料，其零帶隙具有線性色散的能帶結構、超高的載流子遷移速率以及電控可調的費米能級使石墨烯成為一種極具應用前景的光信號處理材料。然而，將石墨烯應用于高效的光電轉換器件最大挑戰(zhàn)之一就是單層石墨烯有限的光吸收率。而將石墨烯集成到光波導上通過石墨烯與波導表面倏逝波的相互作用則可以解決這一難題，不但可以增強光與石墨烯的相互作用，增大光電轉換效率，而且可以控制波導中光的傳輸，這對光信息芯片中不可或缺的電光調制、光電探測等器件具有重大的研究意義與應

3、用前景。
　　本文以目前國際最新研究成果為指引，圍繞石墨烯與納米光波導器件的集成，開展了基于石墨烯的硅基納米光波導電光調制特性的研究。對石墨烯-光波導復合材料的特性進行了分析研究，加工并制備出石墨烯-光波導光電集成結構，進行了實驗測試與結果分析。首次實驗制備出雙層石墨烯電容結構與硅基微環(huán)諧振腔相結合的電光調制結構，首次提出利用漸變微環(huán)諧振腔增大調制效率，首次利用石墨烯調控級聯光波導微環(huán)諧振腔中的類電磁誘導透明效應。相關研究內容可歸

4、結為以下幾個方面：
　　1、對光波導的傳輸模式和單模傳輸條件進行了理論分析；通過對負責光輸入和輸出的光波導納米光柵各參數的仿真與優(yōu)化，提高了光柵的耦合效率；對核心單元微環(huán)諧振腔進行了理論分析。最后利用L-Edit軟件對微腔諧振器集成單元進行了優(yōu)化設計。利用電子束曝光以及感應耦合等離子體刻蝕等工藝完成了垂直耦合光柵作為光信號輸入輸出端的條形光波導以及微環(huán)諧振腔，對微環(huán)諧振腔的傳輸特性進行了測試分析，得到了品質因子為105高Q值微環(huán)諧

5、振腔。
　　2、對石墨烯的結構性質進行了理論分析，理論仿真了石墨烯費米能級、介電常數、等參數隨電壓的變化關系。通過化學氣相沉積的方法（CVD）在銅箔基底上生長了石墨烯薄膜，并通過濕法轉移的方法轉移到了硅光波導的表面。解決了石墨烯-納米光波導集成芯片加工過程中的多個工藝難點，并通過電子束蒸發(fā)、ALD原子沉積、紫外光刻等實現了石墨烯薄膜的圖形化以及電極的生長等工藝，最后與PCB板引線并鍵合，得到了石墨烯與納米光波導結合的光電調制芯片。

6、
　　3、對微環(huán)諧振腔-石墨烯復合結構進行了電光調制測試，設計并加工了新型的漸變微環(huán)諧振腔-石墨烯復合結構來增強石墨烯與光的相互作用，以增大調制效率，測試得到了高達26dB的調制深度，對測試結果進行了詳細分析。通過雙環(huán)級聯的納米光波導微環(huán)諧振腔的參數進行計算優(yōu)化，在芯片上觀察到了類電磁誘導透明效應，并將石墨烯的電控光吸收原理應用到級聯微環(huán)類電磁誘導透明效應中，并在實驗中實現了石墨烯對光波導中類電磁誘導透明效應的調控，對譜線的藍移和