可調控硅-石墨烯混合納米線波導及器件的研究.pdf

1、隨著信息技術的飛速發(fā)展，人們對于通信網絡、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，可以實現大規(guī)模的光子集成，在光通信、光互連和智能傳感等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。可調控光子集成器件作為光子集成芯片的關鍵器件，一直受到人們廣泛的關注研究。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，才能夠實現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

2、學、光學、力學和熱學等方面的性質。不過，石墨烯的二維結構會限制它與光子的相互作用，不利于石墨烯優(yōu)異性質的發(fā)揮。在本論文中，我們結合硅基光子學和石墨烯各自的優(yōu)勢與需求，提出了硅與石墨烯的混合集成，探究了可調控硅-石墨烯混合納米線波導及器件的理論建模、制作測試和應用前景。
　　首先，我們介紹了石墨烯的晶格結構、能帶理論和光學電導率模型，理論上分析了石墨烯的光學和光電子特性。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

3、了硅-石墨烯混合納米線波導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、表征手段和轉移工藝，詳細介紹了硅納米線波導器件的制作和測試方法。在此基礎上，我們探究了石墨烯與硅納米線波導混合集成的工藝流程和關鍵技術。
　　然后，我們設計制作了硅-石墨烯混合納米線波導，測試分析了混合納米線波導的基本特性。在硅-石墨烯混合納米線波導中，我們發(fā)現了一種光致透明效應，具有極低的泵浦功率閾值（僅為～2 W/cm2）、局域和非局

4、域（距離遠達～4 mm）的光照響應等特性，可以用于實現大帶寬、遠程控制、低功耗的全光調控功能。通過實驗測試與理論建模，我們對光致透明效應的工作機理和全光調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器的設計，制作實現了幾種熱光調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，在不平整表面結構和微納尺寸結構加熱方面具有一定的優(yōu)勢