硅基石墨烯光子器件.

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
3
2017/10/10
石墨烯
石墨烯 纤芯 包层
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
2017/10/10 4
石墨烯样品
(a) Optical image of graphene sample on silica substrate.
(b) Raman map of the G band.
(c) Raman spectra .
2017/10/10
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谢谢！
Ref： H. Zhang, S. Virally, Q. Bao, L. Ping, S. Massar, N. Godbout, and P. Kockaert. Opt. Lett., Vol. 37, no.11, 2012
2017/10/10 5
石墨烯材料与器件的研究状况
光调制器
光电探测器
电信
硅基光电子集成： CMOS工艺兼容 结合电和光的优点
信息处理
2017/10/10
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硅基光子学
学术价值 1. 在硅材料中实现超高速光子信息处理 2. 光电子与微电子的学科交叉
硅基光调制器 Nature 435, 325-327 (2005)
硅基全光二极管 Science 335, 447-449 (2012)
2017/10/10
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硅基非线性光子器件的参数对比
器件类型
硅基单模波导 硅基狭缝波导 硅基光子晶体 硅基表面等离子体 波导 加入石墨烯层的硅 基横向狭缝波导 （本方案）
非线性系数
n2~4×10-18，高 n2~1×10-15，很 高 n2~4×10-18，高 n2~4×10-18，高 n2~1×10-12，超 高
表面等离子体波导
2017/10/10 6
石墨烯光学非线性
Ref： E. Hendry,* P. J. Hale, J. Moger, and A. K. Savchenko , PRL 105, 097401 (2010)
2017/10/10 7
Z-scan experimental setup
硅基石墨烯光子器件
蒋黎鹏 0130349012
Байду номын сангаас
2013-11-20
内容提纲
1
2 3
硅基光子学 石墨烯材料及研究现状
硅基石墨烯非线性光子器件
实验室概况
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2017/10/10
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硅基光子学
微电子芯片优势：逻辑功 能强大、体积小、成本低 光子器件优势：高速、 宽带、低功耗、抗干扰
硅基集成，优势互补
材料：硅 工艺：CMOS 传统光器件材料：III-V 工艺：较为复杂
较小
较小 较小 较大 较大
石墨烯
3×10-12
≤0.5
适中
2017/10/10
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硅基石墨烯非线性光子器件
主要优点
1. 高石墨烯层表面光场强度
E=3×1010 V/m
2. 强模场束缚特性 81%的能量束缚在狭缝中
3. 较低的传输损耗
有效传输距离(1/e) 553um 4. 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
2017/10/10
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石墨烯材料的潜在光学非线性
二氧化硅
克尔系数n2 (m2/W) 3×10-20
响应时间（ps） ~0.01
吸收 较小
硅
硫化玻璃 典型有机聚合物 砷化镓 碳纳米管
4×10-18
2×10-18 2×10-15 2×10-15 2×10-12
~0.01
~0.01 ~0.01 ~100 ≤1
2
~102um
2
~102um
2
~102um
2
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耦合方式
1
1
2
3
2 3
单端耦合效率约为92%，并且具有将近100nm的3dB耦合带宽
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硅基石墨烯非线性光子器件的系统应用
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实验装置
垂直耦合系统
端面耦合系统
2017/10/10
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实验室全景图
集成度
~103um
2
信号处理速率
≥1GHz，主要受限于硅基载流子 效应 ≥1THz，主要受限于光与分子间相 互作用响应速率 ≥1GHz，主要受限于硅基载流子 效应 ≥1THz，主要受限于光与分子间相 互作用响应速率 ≥1THz，主要受限于光与分子间相 互作用响应速率
损耗
很小 很小 很小 较大 小
~103um