【摘 要】
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随着“大数据”时代的到来,光-电数据相互转换的需求也在成倍增加。为了从根本上提升通信容量,需要增强调制器和探测器等基础元件的速率和效率。传统的硅基光子器件难以同时满足低功耗、高速率的需求。新型二维材料,如石墨烯和黑磷等,相对于传统硅基材料具有超宽带光谱吸收、超高载流子迁移率和费米能级可调等独特的性质,适用于低功耗、高速、高效率的光调制器和光探测器。随着二维材料的加工条件逐渐成熟,在硅基光子平台上引
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（No.2018YFB2201901）; 国家自然科学基金项目（No.61805090）
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随着“大数据”时代的到来,光-电数据相互转换的需求也在成倍增加。为了从根本上提升通信容量,需要增强调制器和探测器等基础元件的速率和效率。传统的硅基光子器件难以同时满足低功耗、高速率的需求。新型二维材料,如石墨烯和黑磷等,相对于传统硅基材料具有超宽带光谱吸收、超高载流子迁移率和费米能级可调等独特的性质,适用于低功耗、高速、高效率的光调制器和光探测器。随着二维材料的加工条件逐渐成熟,在硅基光子平台上引入新型二维材料是未来大规模硅基光子回路的发展趋势之一。本文从理论分析到器件制作,系统地研究了基于二维材料的高性能硅基光学调制器和探测器,主要内容概况如下:首先,本文提出了一种基于光子晶体波导慢光增强的双层石墨烯硅基电光强度调制器。通过将具有电容结构的双层石墨烯铺设到光子晶体慢光波导的缺陷处,实现了高速、大调制深度的波导结构电吸收调制器。该设计使用光子晶体波导不仅能对光场产生紧密束缚来提高调制器的带宽,还能利用慢光效应增加石墨烯与光场的作用时间以提高调制器的调制深度。理论研究表明,该器件可获得13.6 GHz的响应带宽和0.5 d B/μm的调制深度,调制深度和调制速率分别是相同尺寸条形波导双层石墨烯调制器的10倍和3倍以上。加工制备器件后经过测试,测得10μm长的器件对应的3 d B带宽为12 GHz,调制深度为0.55 d B。该调制器的响应带宽接近理论设计,调制深度虽然未达理论预期,但可通过优化工艺的方式来提高。其次,本文提出了一种基于表面等离子体波导的单层石墨烯硅基光电探测器。该探测器的核心部分由底层的石墨烯和上层的金属狭缝波导组成。将石墨烯铺设在金属狭缝波导的底部可显著提高石墨烯与光的作用范围,从而提升探测器的响应度。金属狭缝波导底部使用金属Pd和金属Ti与石墨烯接触形成非对称金-半接触产生内建电场,进一步提高探测器的响应度。金属狭缝波导本身同时充当接触电极,可减少外部电路元件以提高响应带宽。实验结果表明,该探测器的3 d B带宽可超过110 GHz,探测器的响应度也能达到360 m A/W。这种新型的基于石墨烯的探测器有望应用于超紧凑、超高速的光学互联回路。最后,本文提出了一种基于微环谐振器的黑磷硅基全光光热调制器。在硅基微环上覆盖黑磷材料,实现了1550 nm波段的高效率全光调制器。微环作为谐振器件,能显著提高光与黑磷的作用时间从而增强黑磷对光的吸收效率。实验结果表明,该器件的的调制效率达到了0.164π/m W,3 d B带宽为2.5 MHz。采用方波测得的上升和下降时间分别为479 ns和113 ns,实现了高效率的纳秒级响应的全光光热调制器。
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