石墨烯光调制器的研究

第一章绪论 (1)

1.1 光调制器的发展概述 (1)

1.2 石墨烯电光调制器的工作机理分析 (2)

1.2.1石墨烯的能带结构与电学调谐特性 (2)

1.2.2微环谐振腔的谐振特性 (5)

1.3 石墨烯电光调制器的研究进展 (7)

1.3.1基于直波导结构的石墨烯电光调制器 (7)

1.3.2基于微环及马赫-曾德结构的石墨烯电光调制器 (10)

1.3.3基于平面结构的石墨烯电光调制器 (13)

1.4 选题依据和研究内容 (16)

第二章石墨烯的制备和性能研究 (18)

2.1 引言 (18)

2.2 实验装置介绍 (19)

2.2.1化学气相沉积管式炉系统 (19)

2.2.2光学显微镜 (20)

2.2.3共聚焦拉曼光谱仪 (21)

2.2.4扫描电子显微镜 (21)

2.3 实验部分 (22)

2.3.1铜箔上制备石墨烯方案 (22)

2.3.3非金属基底上制备石墨烯方案 (24)

2.4 结果与讨论 (25)

2.4.1铜箔上制备石墨烯 (25)

2.4.2非金属基底上制备石墨烯 (28)

2.5 本章小结 (30)

第三章石墨烯电光调制器的制备与性能研究 (32)

3.1 引言 (32)

3.2 实验装置介绍 (32)

3.2.1电子束曝光系统 (32)

3.2.2电感耦合等离子体刻蚀 (33)

3.2.3光刻机系统 (34)

3.2.4热蒸发系统 (34)

3.2.5原子层沉积系统 (35)

3.2.6光调制器的测试系统 (36)

3.3 实验部分 (37)

3.3.1光栅与器件的仿真 (37)

3.3.2微环谐振腔的制备及测试 (39)

3.3.3石墨烯电光调制器的制备及测试 (43)

3,4 结果与讨论 (46)

3.4.1器件结构的表征 (46)

3.4.2器件的静态调制特性 (47)

3.4.3器件的动态调制特性 (47)

3.5 本章小结 (49)

第四章石墨烯热光调制器的制备与性能研究 (51)

4.1 引言 (51)

4.2 实验部分 (51)

4.3 结果与讨论 (53)

4.3.1器件结构的表征 (53)

4.3.2器件的静态调制特性 (54)

4.3.3器件的动态调制特性 (56)

4.3.4器件的仿真 (57)

4.4 本章小结 (60)

第五章总结与展望 (61)

参考文献 (63)

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文 (72)

致谢 (73)

石墨烯光调制器的研究第一章绪论

第一章绪论

1.1 光调制器的发展概述

所谓光学调制，即是利用其它形式的能量来改变光信号的特征，它是集成光子回路中一个不可或缺的部分。高速的光调制是未来光交叉互连和光分插复用器系统中的核心技术，而且它在芯片光互连和光计算技术中也有巨大的应用前景。因此，对于光调制器进行系统的研究有着重大的意义。传统的光学调制器采用LiNbO3材料、Ⅲ-Ⅳ族半导体、或其他材料作为载体，其主要原因是因为它的线性电光效应非常显著，易于实现高速调制。然而基于这些材料制作的光电器件，其体积较大，成本较高，而且无法与硅基微电子工艺兼容，难以进行大规模集成。近年来，硅基光互连技术由于其紧凑的器件尺寸、极低的功耗以及与电互连芯片良好的兼容性，从而得到广泛的关注。然而，随着科技的不断发展，器件的性能需进一步提升，提高光调制器的调制速率，减少器件的有源面积，加宽工作波长的范围，已经成为越来越迫切的需求。但是，硅材料中缓慢的载流子迁移率（电子的迁移率为1350 cm2V?1s?1，空穴的迁移率仅为480 cm2V?1s?1），导致硅基光调制器的调制速率难以进一步提升，从而阻碍了其在高速、宽带数据计算领域中的应用。而且，硅的光电效应极其微弱，这使得硅基光调制器的尺寸难以进一步减小，从而使其面临着难以微型化、集约化等问题。因此，寻找一种具备超强光电效应以及超快载流子迁移率的新材料迫在眉睫。

近年来，石墨烯在光电器件中的应用备受关注，它表现出诸多优异的光电特性，使其在下一代微纳光电子领域有着巨大的潜力1,2。经过近十余年的研究和发展，其优异的光电性质逐渐为人们所熟知3,4。具体来讲，石墨烯拥有超高的载流子迁移率，可达200,000 cm2V?1s?1，5而且它的狄拉克费米子也展现出与众不同的线性色散关系6。此外，单层石墨烯能够垂直吸收2.3%的可见光以及近红外波段光7，表现出了超强的光学吸收以及超宽的光谱吸收特性。更令人注意的是，其光学非线性效应也异常显著8-12。石墨烯的这些特性，为制作高性能的光调制器13-22、光探测器23-28、光偏振器29以及可饱和吸收体30-32等光电器件打开了一扇新的大门。