石墨烯集成波导电光调制器研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：O43密级：公开UDC：621.3学号：151151石墨烯集成波导电光调制器研究研究生姓名：范美勇导师姓名：恽斌峰教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称光学工程论文答辩日期2018年06月08日二级学科名称学位授予日期2018年月日答辩委员会主席张雄评阅人胡国华汪弋平2018年06月08日硕士学位论文石墨烯集成波导电光调制器研究专业名称：光学工程研究生姓名：范美勇导师姓名：恽斌峰教授STUDYOFGRAPHENEINTEGRATEDWAVEGUIDEELECT

2、RO-OPTICMODULATORADissertation（Thesis）SubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctor(orMaster)ofEngineering(orScienceetc)BYFANMei-yongSupervisedbyProf.YUNBin-fengElectronicstechnologyandengineeringdepartmentSoutheastUniversityMay2018东南大学学位论文独创

3、性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本

4、人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要高速、宽带、紧凑的光调制器是十分重要的光通信系统器件，石墨烯具备的费米能级可调、超高载流子迁移率以及超高热导率等特性，使其与光波导结合的调制器满足宽带宽、超快调制、高集成

5、度、低调制功耗等需求。氮化硅波导与硅波导相比，具有传输损耗小、非线性损耗低、制备工艺简单等优点。本论文以基于双条形氮化硅光波导结构的石墨烯电光调制器、TM-Pass偏振器和基于氮化硅微环谐振器结构的石墨烯热光调制器作为研究对象，重点研究了器件的调制原理、结构仿真设计和性能分析。本文首先通过有限元算法对基于双条形氮化硅波导的四层石墨烯电吸收光调制器进行设计和优化，得益于石墨烯层之间的共电极设计，器件的总电阻降低了50%。结果表明所提出的石墨烯调制器实现了在1550nm波长下3dB调制的有源长度为18.09μ

6、m，调制器的消光比和品质因数分别达到0.1658dB/μm和9.7，调制带宽高达30.6GHz，并且调制开关电压范围只有ΔV=3.8180V和能量消耗为780.50fJ/bit。利用该四层石墨烯/双条形氮化硅波导混合结构对TE模式吸收强，TM模式吸收弱的传输特性，该波导结构还可作为低损耗和宽带TM-Pass偏振器。当偏振器的长度为200μm时，TE模式的插入损耗可达39.2dB，TM模式的插入损耗只有0.8dB，从而使得偏振器的消光比ER高达38.4dB。另外，该偏振器也可实现在1520-1720nm宽带

7、波长范围内高于33.8dB的消光比和低于0.87dB的插入损耗。最后设计了易于制备的单层石墨烯氮化硅微环热光调制器，数值仿真得到该调制器的消光比达到40dB，半高全宽（FWHM）为0.33nm，上升和下降响应时间分别为17.8μs和18.3μs。同时，对石墨烯的转移进行了实验探究和表征，并初步实验制备器件。通过以上研究，对氮化硅波导平台上的低损耗紧凑高速调制器和宽带偏振器进行了补充。同时，提出的石墨烯氮化硅微环热光调制器具有良好的调谐性能和可行性。关键词：石墨烯，波导调制器，氮化硅，集成光器件，电光效应，

8、热光效应IAbstractAbstractBroadband,high-speedandcompactintegratedopticalmodulatoristhekeycomponentofhigh-speedfiber-opticcommunicationsystems.WithtunableFermilevel,ultra-highcarriermobilityandthermalconductivity,graphen