【摘要】：為滿足大容量、高速率、高安全性的數(shù)據(jù)傳輸要求,光通信與光互連技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并對器件的集成度提出更高的要求。硅基光電集成被認(rèn)為是集成光電子領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑?目前多種硅基無源光器件已被實現(xiàn)。然而由于硅材料自身的缺陷,硅基有源光器件的實現(xiàn)往往需要其他材料輔助,才能滿足相應(yīng)的性能要求。石墨烯是一種六方晶格的單原子層二維材料,已被證實在光、電、熱學(xué)等領(lǐng)域都有著相當(dāng)優(yōu)異的性能。將石墨烯與硅結(jié)合可有效地提升硅基光電子器件的工作性能,如拓寬器件的工作帶寬、提升器件的響應(yīng)速率等,并且基于石墨烯-硅混合波導(dǎo)的光電子器件的制備工藝與CMOS工藝兼容。另外石墨烯因其具備優(yōu)越的飽和吸收特性而被廣泛應(yīng)用于脈沖激光產(chǎn)生系統(tǒng)中,極大地促進(jìn)了超短脈沖光源的發(fā)展。本文基于石墨烯的飽和吸收特性,開展了石墨烯-硅混合波導(dǎo)脈沖激光器的系列研究,實驗上實現(xiàn)了在硅波導(dǎo)中直接產(chǎn)生脈沖激光,提供了一種片上脈沖光源的解決方案。主要內(nèi)容如下:(1)加工制備了石墨烯-硅混合波導(dǎo),對制備的器件進(jìn)行性能表征,測量了混合波導(dǎo)在通信波段光學(xué)線性吸收和飽和吸收的特征參數(shù)。得出條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)上石墨烯的線性吸收系數(shù)分別為0.1 dB/μm和0.045 dB/μm,該實驗測量值與仿真計算值吻合。得出片上石墨烯飽和吸收體的飽和吸收閾值功率密度約為1 GW/cm~2,混合波導(dǎo)內(nèi)載流子馳豫恢復(fù)時間約為48 ps。(2)基于石墨烯-硅混合波導(dǎo)設(shè)計環(huán)形腔脈沖激光器,在混合波導(dǎo)器件插損為~19dB的情況下,獲得了脈寬為1.2 ps的鎖模脈沖。通過調(diào)節(jié)泵浦功率和腔內(nèi)偏振態(tài),在同一根混合波導(dǎo)中分別產(chǎn)生了調(diào)Q、鎖模及調(diào)Q鎖模脈沖。波導(dǎo)光柵耦合器經(jīng)優(yōu)化后,混合波導(dǎo)器件插損約為11 dB,此時鎖模啟動的泵浦功率閾值為~45 mW。(3)設(shè)計了一種基于混合波導(dǎo)的集成型線形腔脈沖激光器,實現(xiàn)了重復(fù)頻率為6.45 MHz脈沖光的產(chǎn)生,初步的實驗結(jié)果驗證了該方案的可行性。
【圖文】：

圖 1-1 石墨烯-硅混合波導(dǎo)的器件分類烯超高的載流子遷移率可加快硅探測器的探測速率，其寬帶吸收特器的工作帶寬，另外還可通過增加石墨烯與波導(dǎo)倏逝場作用的長度高石墨烯光電探測器的響應(yīng)率。圖 1-2（a）給出的是基于石墨烯-硅測器的結(jié)構(gòu)示意圖和光電響應(yīng)測試結(jié)果圖[18]。在一個懸空的硅波導(dǎo)，石墨烯和硅接觸形成肖特基結(jié)，因此接觸面存在內(nèi)建電場。外部穴對在內(nèi)建電場的作用下分離形成電流，基于這個物理機(jī)制可以制太陽能電池。該器件可探測從可見光到紅外波段的光信號，第一次波長為 2.75 μm 中紅外波段的信號，在偏壓 1.5 V 時響應(yīng)高達(dá) 0.13烯在常溫下熱導(dǎo)率和熱損傷閾值較高[19-20]，適合用于熱光調(diào)制系統(tǒng)調(diào)器采用金屬導(dǎo)熱方式，硅波導(dǎo)上需要鋪設(shè)一層比較厚的 SiO2層來收。SiO2熱導(dǎo)率較低，，因而器件的熱光調(diào)制速率較慢。圖 1-2（b）

圖 1-2 基于石墨烯-硅混合波導(dǎo)的（a）光電探測器[18]；（b）熱光調(diào)制器[21]；（c）全光吸收調(diào)制器[22]；（d）全光非線性相位調(diào)制器[23]全光調(diào)制是直接對信號光進(jìn)行調(diào)制的一種方式，可分為全光相位調(diào)制和全光吸收調(diào)制。相比于電光調(diào)制和熱光調(diào)制，全光調(diào)制不需要經(jīng)過電光或熱光轉(zhuǎn)換過程，可以實現(xiàn)低功耗、高速率的光調(diào)控，被認(rèn)為是光子集成技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。全光吸收調(diào)制又可分為基于光致透明效應(yīng)和基于飽和吸收效應(yīng)。圖 1-2（c）為基于石墨烯-硅混合波導(dǎo)的全光吸收調(diào)制器[22]，利用的是光致透明效應(yīng)。波長為 1560 nm 的信號光從混合波導(dǎo)光柵耦合器的一端進(jìn)入一端輸出，波長為 635 nm 的泵浦光采用空間照射的方式進(jìn)入石墨烯，泵浦光打開時信號光功率變大，也就是泵浦光的照射使器件的插損變小，即石墨烯對信號光的吸收變?nèi)�。因此可通過控制泵浦光的開、關(guān)對信號光進(jìn)行調(diào)制。光致透明效現(xiàn)象可解釋為：硅波導(dǎo)吸收泵浦光后產(chǎn)生的載流子進(jìn)入了石墨烯中，相當(dāng)于對石墨烯進(jìn)行間接摻雜，從而改變此時石墨烯對信號光的吸收特性。為了證明
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2679612