硅基石墨烯光子器件.ppt

蒋黎鹏 0130349012 硅基石墨烯光子器件 2013-11-20 * * 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 4 * * 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：CMOS * * 硅基光子学 硅基全光二极管 Science 335, 447-449 (2012) 硅基光调制器 Nature 435, 325-327 (2005) 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 * * 1.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 * * 石墨烯样品 * * Ref： H. Zhang, S. Virally, Q. Bao, L. Ping, S. Massar, N. Godbout, and P. Kockaert. Opt. Lett., Vol. 37, no.11, 2012 Optical image of graphene sample on silica substrate. Raman map of the G band. Raman spectra . * * 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 * * Ref： E. Hendry,* P. J. Hale, J. Moger, and A. K. Savchenko , PRL 105, 097401 (2010) * * Z-scan experimental setup * * 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 * * 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=3×1010 V/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 硅基非线性光子器件的参数对比 * * 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 ≥1THz，主要受限于光与分子间相互作用响应速率 小 * * 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 1 3 2 1 2 3 * * 硅基石墨烯非线性光子器件的系统应用 实验装置 * * 垂直耦合系统 端面耦合系统 实验室全景图 * * 谢谢！ * SKL * * SKL * * SKL * * SKL * SKL SKL * SKL * * SKL * * SKL * * SKL *