本文關(guān)鍵詞：石墨烯輔助玻璃基集成光學(xué)器件的研究

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【摘要】：隨著高速率、大容量光通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對相關(guān)的光電子器件提出了更高的要求,尤其是集成光學(xué)器件。其中,玻璃基離子交換技術(shù)由于其成本低廉、工藝簡單、易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)異特性,被廣泛應(yīng)用于制作波分復(fù)用器、光分路器、光放大器等集成光學(xué)器件。然而由于玻璃材料的電光特性和熱光特性較差,很難制作光探測器等有源光器件,限制了其在集成光學(xué)中的應(yīng)用。近年來,石墨烯憑借其優(yōu)異的物理性能受到了廣泛的關(guān)注。石墨烯是由單層碳原子以蜂窩狀結(jié)構(gòu)組成的二維晶體材料,它具有電子遷移率高、透光率高、對很寬波長范圍的光具有均一吸收率等優(yōu)點,使其在集成光電子技術(shù)中的應(yīng)用受到了重視。而基于石墨烯/光波導(dǎo)的混合波導(dǎo)的集成光學(xué)器件,如光起偏器、光探測器和光調(diào)制器等,表現(xiàn)出了優(yōu)異特性,證明石墨烯可以很好的將本身的特性附加到光波導(dǎo)上。基于上述論證,本論文的研究主要集中于將石墨烯材料與玻璃材料相結(jié)合,利用石墨烯優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性,實現(xiàn)高性能、低成本的石墨烯輔助玻璃基集成光學(xué)器件。本文對基于石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)的光起偏器及光敏電阻型光探測器的理論、制作工藝及性能進行了詳細地研究和分析,提出了一種在玻璃襯底上實現(xiàn)有源光器件的解決方案,以拓寬其在集成光學(xué)中的應(yīng)用。本文的主要研究成果和創(chuàng)新點包括：1.提出了一種改進的選擇掩埋波導(dǎo)制作工藝。為了實現(xiàn)石墨烯等功能材料與玻璃波導(dǎo)的混合集成,就需要制作具有低損耗且包含和功能材料高敏感的表面波導(dǎo)區(qū)域的玻璃基波導(dǎo)——選擇掩埋波導(dǎo),為此,本文提出了一種改進的制作工藝,它以背面電極來精確控制波導(dǎo)結(jié)構(gòu),以背面介電層來阻擋電場,制作出過渡區(qū)域的損耗僅0.28 dB(波長為1550nm)的選擇掩埋波導(dǎo),該工藝更加穩(wěn)定,對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的控制更加精確。通過對大量實驗結(jié)果的分析,建立了基于此工藝的選擇掩埋波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)模型,為制作石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)及選擇掩埋波導(dǎo)傳感器一一如溫度傳感器、折射率傳感器等提供了基礎(chǔ)。2.提出了一種基于石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)的光起偏器。利用石墨烯對很寬波長范圍的光具有均一的吸收率及其金屬特性,通過對石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)的分析得知,混合波導(dǎo)中傳輸?shù)臋M磁模(TM模)的損耗系數(shù)遠遠大于橫電模(TE模),且兩個損耗系數(shù)之間的差隨石墨烯化學(xué)勢降低而升高。本文根據(jù)此原理設(shè)計并制作出基于混合波導(dǎo)的光起偏器,并提出利用PMMA降低石墨烯化學(xué)勢的方法來提高器件的消光比,得到長度僅為4mm,在通信波段的O波段和C波段的消光比達到27 dB的集成光學(xué)起偏器,大大提高了玻璃基光起偏器的工作波長范圍。3.提出了一種基于石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)的光敏電阻型光探測器。當(dāng)石墨烯吸收光后,重摻雜石墨烯中電子的溫度升高,使得石墨烯的有效費米能級降低,導(dǎo)致其有效載流子濃度降低,因此石墨烯的電導(dǎo)率將隨光照而降低,根據(jù)此原理,本文設(shè)計并制作了石墨烯長度為4 mm的石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)光敏電阻型光探測器,并對其進行了測試,結(jié)果表明,當(dāng)光波長為1510-1630nm、外加偏置電壓僅0.1 V時,器件響應(yīng)度高達約0.75 A/W,為在玻璃襯底上實現(xiàn)有源光器件提供一種新的方法。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 集成光學(xué) 玻璃基離子交換技術(shù) 選擇掩埋波導(dǎo) 光起偏器 光探測器
【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】：2015
【分類號】：TN256;TQ127.11
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 緒論13-39
• 1.1 前言13-14
• 1.2 玻璃基離子交換工藝14-19
• 1.3 石墨烯的電學(xué)和光學(xué)特性19-21
• 1.3.1 電學(xué)特性20
• 1.3.2 光學(xué)特性20-21
• 1.4 石墨烯混合波導(dǎo)光電子器件21-31
• 1.4.1 基于石墨烯混合波導(dǎo)的光起偏器21-24
• 1.4.2 基于石墨烯混合波導(dǎo)光探測器24-28
• 1.4.3 基于石墨烯混合波導(dǎo)光調(diào)制器28-31
• 1.5 本文的研究意義和結(jié)構(gòu)31-32
• 參考文獻32-39
• 第二章 玻璃基選擇掩埋波導(dǎo)39-63
• 2.1 前言39-40
• 2.2 選擇掩埋波導(dǎo)形成理論40-45
• 2.2.1 離子交換工藝40-41
• 2.2.2 模型仿真41-45
• 2.3 選擇掩埋波導(dǎo)的制作45-50
• 2.3.1 工藝流程45-47
• 2.3.2 背面介電材料的選擇47-49
• 2.3.3 選擇掩埋波導(dǎo)芯片的設(shè)計49-50
• 2.4 選擇掩埋波導(dǎo)的結(jié)果與分析50-57
• 2.4.1 掩埋深度和過渡區(qū)域的結(jié)果與分析50-53
• 2.4.2 插入損耗的測試結(jié)果與分析53-57
• 2.5 基于選擇掩埋波導(dǎo)的傳感器的制作與分析57-60
• 2.5.1 模型仿真57-59
• 2.5.2 溫度傳感器的制作與分析59-60
• 2.6 本章小結(jié)60-61
• 參考文獻61-63
• 第三章 石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)光起偏器63-87
• 3.1 前言63
• 3.2 光起偏器的理論分析63-71
• 3.2.1 石墨烯的折射率63-66
• 3.2.2 光起偏器模型仿真66-71
• 3.3 光起偏器的制作71-74
• 3.4 光起偏器參數(shù)優(yōu)化74-81
• 3.4.1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的選擇74
• 3.4.2 制作工藝的選擇74-78
• 3.4.3 掩埋深度和波導(dǎo)寬度的優(yōu)化78-79
• 3.4.4 石墨烯長度的優(yōu)化79-81
• 3.5 光起偏器的光學(xué)特性81-83
• 3.6 本章小結(jié)83-84
• 參考文獻84-87
• 第四章 石墨烯/玻璃混合波導(dǎo)光探測器87-110
• 4.1 前言87-88
• 4.2 光探測器的理論分析88-92
• 4.2.1 金屬摻雜結(jié)光探測器89-90
• 4.2.2 光敏電阻型光探測器90-92
• 4.3 光探測器的設(shè)計與制作92-96
• 4.3.1 光探測器的設(shè)計92-95
• 4.3.2 光探測器的制作95-96
• 4.4 光探測器的結(jié)果與分析96-106
• 4.4.1 金屬摻雜結(jié)探測器97-103
• 4.4.2 光敏電阻型光探測器103-106
• 4.5 本章小結(jié)106-107
• 參考文獻107-110
• 第五章 總結(jié)與展望110-113
• 5.1 總結(jié)110-111
• 5.2 工作中存在的不足與展望111-113
• 攻讀博士期間的科研成果113

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