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內容提綱硅基光子學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實驗室概況42023/7/311內容提綱硅基光子學1石墨烯材料及研究現(xiàn)狀2023/10/52硅基光子學微電子芯片優(yōu)勢：邏輯功能強大、體積小、成本低傳統(tǒng)光器件材料：III-V工藝：較為復雜光子器件優(yōu)勢：高速、寬帶、低功耗、抗干擾硅基光電子集成：CMOS工藝兼容結合電和光的優(yōu)點硅基集成，優(yōu)勢互補電信信息處理材料：硅工藝：CMOS2023/7/312硅基光子學微電子芯片優(yōu)勢：邏輯功能強大、2023/10/53硅基光子學硅基全光二極管Science335,447-449(2012)硅基光調制器Nature435,325-327(2005)學術價值在硅材料中實現(xiàn)超高速光子信息處理光電子與微電子的學科交叉應用價值高折射率對光場具有高束縛性，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/浙江大學2023/7/313硅基光子學硅基全光二極管硅基光調制器學術石墨烯2023/10/541.寬譜范圍內的線性吸收特性（每層2.3%）2.零帶隙：任意光子能量均可激發(fā)帶間能級躍遷3.對激發(fā)光頻率的不敏感性（0~THz）4.在可以容忍的附加損耗內，定向導行光場能量，

并束縛在遠小于光波長尺寸的范圍內石墨烯2023/7/3141.寬譜范圍內的線性吸收特性（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器光調制器表面等離子體波導2023/7/316石墨烯材料與器件的研究狀況光電探測器光調石墨烯光學非線性2023/10/57Ref：E.Hendry,*P.J.Hale,J.Moger,andA.K.Savchenko,PRL105,097401(2010)石墨烯光學非線性2023/7/317Ref：2023/10/58Z-scanexperimentalsetup2023/7/318Z-scanexperimental2023/10/59克爾系數n2(m2/W)響應時間（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非線性2023/7/319克爾系數n2(m2/W)響應時間（ps2023/10/510硅基石墨烯非線性光子器件主要優(yōu)點高石墨烯層表面光場強度

E=3×1010V/m強模場束縛特性

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

相比于普通硅基非線性

器件提升約4個數量級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對比2023/10/511器件類型非線性系數集成度信號處理速率損耗硅基單模波導n2~4×10-18，高~103um2≥1GHz，主要受限于硅基載流子效應很小硅基狹縫波導n2~1×10-15，很高~103um2≥1THz，主要受限于光與分子間相互作用響應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很小硅基表面等離子體波導n2~4×10-18，高~102um2≥1THz，主要受限于光與分子間相互作用響應速率較大加入石墨烯層的硅基橫向狹縫波導（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速率小硅基非線性光子器件的參數對比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)應用2023/7/3113硅基