硅基石墨烯光子器件.ppt

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1、蒋黎鹏0130349012硅基石墨烯光子器件2013-11-202021/9/31内容提纲硅基光子学1石墨烯材料及研究现状2硅基石墨烯非线性光子器件3实验室概况42021/9/32硅基光子学微电子芯片优势：逻辑功能强大、体积小、成本低传统光器件材料：III-V工艺：较为复杂光子器件优势：高速、宽带、低功耗、抗干扰硅基光电子集成：CMOS工艺兼容结合电和光的优点硅基集成，优势互补电信信息处理材料：硅工艺：CMOS2021/9/33硅基光子学硅基全光二极管Science335,447-449(2012)硅基光调制器Nature435,325-327(200

2、5)学术价值在硅材料中实现超高速光子信息处理光电子与微电子的学科交叉应用价值高折射率对光场具有高束缚性，减小器件尺寸与成熟的CMOS工艺相兼容，成本低廉上海交通大学/浙江大学石墨烯2021/9/341.宽谱范围内的线性吸收特性（每层2.3%）2.零带隙：任意光子能量均可激发带间能级跃迁3.对激发光频率的不敏感性（0~THz）4.在可以容忍的附加损耗内，定向导行光场能量，并束缚在远小于光波长尺寸的范围内2021/9/35石墨烯样品2021/9/35Ref：H.Zhang,S.Virally,Q.Bao,L.Ping,S.Massar,N.Godbout,

3、andP.Kockaert.Opt.Lett.,Vol.37,no.11,2012Opticalimageofgraphenesampleonsilicasubstrate.RamanmapoftheGband.Ramanspectra.2021/9/36石墨烯材料与器件的研究状况光电探测器光调制器表面等离子体波导石墨烯光学非线性2021/9/37Ref：E.Hendry,*P.J.Hale,J.Moger,andA.K.Savchenko,PRL105,097401(2010)2021/9/38Z-scanexperimentalsetup2021/

4、9/39克尔系数n2(m2/W)响应时间（ps）吸收二氧化硅3×10-20~0.01较小硅4×10-18~0.01较小硫化玻璃2×10-18~0.01较小典型有机聚合物2×10-15~0.01较小砷化镓2×10-15~100较大碳纳米管2×10-12≤1较大石墨烯3×10-12≤0.5适中石墨烯材料的潜在光学非线性2021/9/310硅基石墨烯非线性光子器件主要优点高石墨烯层表面光场强度E=3×1010V/m强模场束缚特性81%的能量束缚在狭缝中较低的传输损耗有效传输距离(1/e)553um超高的非线性系数相比于普通硅基非线性器件提升约4个数量级硅基非

5、线性光子器件的参数对比2021/9/311器件类型非线性系数集成度信号处理速率损耗硅基单模波导n2~4×10-18，高~103um2≥1GHz，主要受限于硅基载流子效应很小硅基狭缝波导n2~1×10-15，很高~103um2≥1THz，主要受限于光与分子间相互作用响应速率很小硅基光子晶体n2~4×10-18，高~102um2≥1GHz，主要受限于硅基载流子效应很小硅基表面等离子体波导n2~4×10-18，高~102um2≥1THz，主要受限于光与分子间相互作用响应速率较大加入石墨烯层的硅基横向狭缝波导（本方案）n2~1×10-12，超高~102um2≥

6、1THz，主要受限于光与分子间相互作用响应速率小2021/9/312耦合方式单端耦合效率约为92%，并且具有将近100nm的3dB耦合带宽1321232021/9/313硅基石墨烯非线性光子器件的系统应用实验装置2021/9/314垂直耦合系统端面耦合系统实验室全景图2021/9/315谢谢！