硅基石墨烯光波导及其调制特性研究.pdf

摘要 摘要 硅基电光调制器是集成光学中的关键器件之一。研制出高速、小尺寸的硅基 电光调制器一直是科研人员不断追求的目标。石墨烯因为其独特的光学和电学性 质，为实现高速、小尺寸的硅基电光调制器提供了可能。本文根据石墨烯费米能 级可调谐和表面等离子共振增强的原理，设计了两种硅基石墨烯调制器，并理论 上分析和优化了两种调制器的相关性能。 本论文首先对石墨烯电学和光学的相关性质进行了介绍，包括其电导率、折 射率、介电常数和化学势能的关系以及石墨烯费米能级调谐特性。随后，本文从 表面等离子激元和局域表面等离子共振两方面详细介绍了表面等离子共振增强 原理。还介绍了基于表面等离子激元的各类波导结构的相关性质和优缺点，包括 MIM 型波导、IMI 型波导、混合表面等离子波导和介质负载表面等离子波导等。 接着，设计并优化了一种基于表面等离子激元波导的四层石墨烯调制器。通过将 结构为金属/介质/硅/介质/金属（MISiIM ）的表面等离子激元波导与石墨烯相结 合，使该调制器在调制深度和插入损耗之间取得了较好的平衡。同时分析了该器 件结构参数和介质材料折射率对器件调制深度、插入损耗、调制速度以及能耗的 影响，最后优化得到该器件的调制深度和传输损耗分别为0.524 dB/μm 和0.048 dB/μm，品质因子达10.9，调制速度和能耗分别为150GHz 和0.607 pJ/bit 。最后， 基于局域表面等离子共振的原理，使用金属圆盘链加载到硅波导上的混合波导结 构，设计了一种双层石墨烯调制器。通过将该混合波导与石墨烯相结合，将调制 器的长度降低到 1μm 以下。同时，研究了圆盘的大小和间距对器件传输特性曲 线的影响。结果表明该调制器在740nm 的器件长度下消光比可达5.5dB，器件的 插损为1.9dB，调制速度和能耗分别为211GHz 和4.47fJ/bit 。 关键词：石墨烯，硅基，表面等离子共振增强，电光效应，调制器 I Abstract Abstract In optoelectronic integrated circuits, one of the most critical devices is the electro-optic (EO) modulator. The shortage of high-speed and small-footprint EO modulator remains a critical challenge until recent researches on graphene, which has unique optical and electrical properties. In this paper, according to the principles of graphene’s Fermi level tunability and surface plasmon resonance, we design two graphene modulators based on silicon. And the performances of the two modulators are analyzed and optimized theoretically. First, the electrical and optical properties of graphene are introduced, including graphene’s conductivity, refractive index, dielectric constant, chemical potential and the principle of graphene’s Fermi level tunability. Then, the theory of surface plasmon resonance (SPR) is introduced in det