硅基石墨烯光子器件課件

蔣黎鵬0130349012硅基石墨烯光子器件2013-11-20蔣黎鵬硅基石墨烯光子器件2013-11-202023/10/51內(nèi)容提綱硅基光子學(xué)1石墨烯材料及研究現(xiàn)狀2硅基石墨烯非線性光子器件3實(shí)驗(yàn)室概況42023/7/311內(nèi)容提綱硅基光子學(xué)1石墨烯材料及研究現(xiàn)狀2023/10/52硅基光子學(xué)微電子芯片優(yōu)勢(shì)：邏輯功能強(qiáng)大、體積小、成本低傳統(tǒng)光器件材料：III-V工藝：較為復(fù)雜光子器件優(yōu)勢(shì)：高速、寬帶、低功耗、抗干擾硅基光電子集成：CMOS工藝兼容結(jié)合電和光的優(yōu)點(diǎn)硅基集成，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)電信信息處理材料：硅工藝：CMOS2023/7/312硅基光子學(xué)微電子芯片優(yōu)勢(shì)：邏輯功能強(qiáng)大、2023/10/53硅基光子學(xué)硅基全光二極管Science335,447-449(2012)硅基光調(diào)制器Nature435,325-327(2005)學(xué)術(shù)價(jià)值在硅材料中實(shí)現(xiàn)超高速光子信息處理光電子與微電子的學(xué)科交叉應(yīng)用價(jià)值高折射率對(duì)光場(chǎng)具有高束縛性，減小器件尺寸與成熟的CMOS工藝相兼容，成本低廉上海交通大學(xué)/浙江大學(xué)2023/7/313硅基光子學(xué)硅基全光二極管硅基光調(diào)制器學(xué)術(shù)石墨烯2023/10/541.寬譜范圍內(nèi)的線性吸收特性（每層2.3%）2.零帶隙：任意光子能量均可激發(fā)帶間能級(jí)躍遷3.對(duì)激發(fā)光頻率的不敏感性（0~THz）4.在可以容忍的附加損耗內(nèi)，定向?qū)泄鈭?chǎng)能量，

并束縛在遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)尺寸的范圍內(nèi)石墨烯2023/7/3141.寬譜范圍內(nèi)的線性吸收特性（每2023/10/55石墨烯樣品2023/10/55Ref：H.Zhang,S.Virally,Q.Bao,L.Ping,S.Massar,N.Godbout,andP.Kockaert.Opt.Lett.,Vol.37,no.11,2012Opticalimageofgraphenesampleonsilicasubstrate.RamanmapoftheGband.Ramanspectra.2023/7/315石墨烯樣品2023/7/315Ref：O2023/10/56石墨烯材料與器件的研究狀況光電探測(cè)器光調(diào)制器表面等離子體波導(dǎo)2023/7/316石墨烯材料與器件的研究狀況光電探測(cè)器光調(diào)石墨烯光學(xué)非線性2023/10/57Ref：E.Hendry,*P.J.Hale,J.Moger,andA.K.Savchenko,PRL105,097401(2010)石墨烯光學(xué)非線性2023/7/317Ref：2023/10/58Z-scanexperimentalsetup2023/7/318Z-scanexperimental2023/10/59克爾系數(shù)n2(m2/W)響應(yīng)時(shí)間（ps）吸收二氧化硅3×10-20~0.01較小硅4×10-18~0.01較小硫化玻璃2×10-18~0.01較小典型有機(jī)聚合物2×10-15~0.01較小砷化鎵2×10-15~100較大碳納米管2×10-12≤1較大石墨烯3×10-12≤0.5適中石墨烯材料的潛在光學(xué)非線性2023/7/319克爾系數(shù)n2(m2/W)響應(yīng)時(shí)間（ps2023/10/510硅基石墨烯非線性光子器件主要優(yōu)點(diǎn)高石墨烯層表面光場(chǎng)強(qiáng)度

E=3×1010V/m強(qiáng)模場(chǎng)束縛特性

81%的能量束縛在狹縫中

較低的傳輸損耗

有效傳輸距離(1/e)553um超高的非線性系數(shù)

相比于普通硅基非線性

器件提升約4個(gè)數(shù)量級(jí)2023/7/3110硅基石墨烯非線性光子器件硅基非線性光子器件的參數(shù)對(duì)比2023/10/511器件類型非線性系數(shù)集成度信號(hào)處理速率損耗硅基單模波導(dǎo)n2~4×10-18，高~103um2≥1GHz，主要受限于硅基載流子效應(yīng)很小硅基狹縫波導(dǎo)n2~1×10-15，很高~103um2≥1THz，主要受限于光與分子間相互作用響應(yīng)速率很小硅基光子晶體n2~4×10-18，高~102um2≥1GHz，主要受限于硅基載流子效應(yīng)很小硅基表面等離子體波導(dǎo)n2~4×10-18，高~102um2≥1THz，主要受限于光與分子間相互作用響應(yīng)速率較大加入石墨烯層的硅基橫向狹縫波導(dǎo)（本方案）n2~1×10-12，超高~102um2≥1THz，主要受限于光與分子間相互作用響應(yīng)速率小硅基非線性光子器件的參數(shù)對(duì)比2023/7/3111器件類型非2023/10/512耦合方式單端耦合效率約為92%，并且具有將近100nm的3dB耦合帶寬1321232023/7/3112耦合方式單端耦合效率約為92%，并且具2023/10/513硅基石墨烯非線性光子器件的系統(tǒng)應(yīng)用2023/7/3113硅基