何江流[1]2000年在《硅基纳米材料的光学非线性研究》文中研究表明寻找响应速度快，非线性效应强的半导体材料对于研制未来光计算机中的光开关、光逻辑运算器件，对于研制高速光交换系统，实现全光通信都具有重大的意义。特别是发展以硅为基质的光电子材料，对于实现光子集成和光电子集成具有特殊的重要意义。纳米硅基材料由于其特殊的小尺寸微结构所产生的量子限制效应，克服了硅作为光子材料的一系列先天性不足，从而大大提高了其非线性。本文介绍了硅基光电子学研究现状和发展前景，分析了半导体材料产生光学非线性效应的机理，较充分地阐述了纳米材料和量子阱超晶格材料的结构特征、制作方法，及其由于量子限制效应所产生的特殊光学性质。在实验方面，测量了nc-Si:H薄膜和nc-Si/SiO_2超晶格的Raman谱，并从其纳米结构出发探讨了吸收光谱发生“蓝移”的量子限制效应；用泵浦-探测法测量了nc-Si:H薄膜的激子非线性，观察到了激子吸收饱和现象，得到其非线性折射率n_2=6.58×10~(-7)esu，并利用量子限制效应对结果做了简要分析；用闭孔和开孔Z-扫描分别测得nc-Si/SiO_2超晶格非线性折射率n_2=1.67×10~(-6)esu，非线性吸收系数β=5.68×10~(-8)cm/W；用四波混频法测得nc-Si/SiO_2超晶格三阶非线性极化率χ~(3)=5.84×10~(-8)esu；从量子限制效应出发探讨了nc-Si/SiO_2超晶格产生较大非线性的原因，并对nc-Si:H薄膜和nc-Si/SiO_2超晶格两种材料的应用前景做了展望。
吕蓬[2]2007年在《纳米Si-SiN_X复合薄膜发光与非线性光学性质的研究》文中提出半导体硅基材料是电子技术、信息技术领域最为重要的基础材料之一。近年来,研究和开发以硅为基质材料的光子器件乃至实现光电集成(OEIC)已成为半导体光电子学领域需攻克的重大课题。在众多的硅基材料中,氮化硅作为一种典型的硅基材料,已作为钝化层和电绝缘层广泛应用在硅器件和集成电路方面。因此,硅基低维材料与氮化硅薄膜组成的复合材料的制备及其光电性能的研究是硅基光电子领域中热门课题的重要组成部分。本文采用射频磁控反应溅射法结合热退火技术制备了纳米硅镶嵌氮化硅薄膜(nc-Si/SiNX),并对薄膜进行X射线能谱(EDS)、红外吸收光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)及紫外—可见吸收光谱(UV-VIS)的测定,对薄膜进行了组分、键合状态、结构及光学带隙的表征。研究发现制备的相关工艺条件对薄膜的组分结构等特点产生重要影响。本论文研究测定了薄膜的光致发光特性。室温条件下,分别用265nm和510nm波长的光激发,得到在350～900nm范围内众多发光带,分别归结为氮化硅中缺陷和纳米硅颗粒的发光。归纳起来,其发光机制以能隙态模型和量子限制效应为主。采用皮秒激光运用单光束Z扫描技术开展了对该复合薄膜的非线性光学性质的研究。分别在中心波长1064nm和532nm的皮秒脉冲激光投射下,该复合薄膜的非线性光折射和光吸收都表现出较明显的特征,测得薄膜三阶非线性极化率的绝对值都是10-9esu量级,并将薄膜这种三阶光学非线性增强的原因归因于量子限域效应。首次报道了用沉积在硅衬底的纳米硅镶嵌氮化硅(nc-Si/SiNX)薄膜样品作为可饱和吸收体,在凹—平腔中实现了氙灯抽运Nd:YAG激光器的被动调Q运转,在抽运重复频率1Hz情况下获得脉宽最小可达19ns的调Q单脉冲输出。并且研究了该薄膜结构特性、激光器参数,如:抽运电压、腔长对调Q脉冲输出性能产生的影响。在此基础上,对实验现象产生的原因做了分析讨论。
万青[3]2004年在《零维Ge和一维ZnO纳米结构与器件》文中研究说明当材料至少有一个维度在1—100纳米之间时，我们称之为纳米结构。纳米结构和相应的体材料相比，具有许多独特的性能和诱人的应用前景，引起了各国研究人员极大的关注。本论文采用电子束蒸发和热蒸发等技术分别制备了零维Ge和一维ZnO纳米结构，进而对所制备的零维和一维半导体纳米结构的应用进行了多方面的探索研究，取得了如下创新性结果： 1)采用电子束共蒸发技术制备了埋嵌于高K介质Al_2O_3中的非晶Ge纳米团簇。由于量子限域效应，在该复合纳米结构中观察到了高达1.5eV光学吸收边蓝移。Z-扫描测试结果表明该复合纳米结构具有很大的三次光学非线性极化率。三次光学非线性极化率的实部和虚部分别为4.91×10~(-7) esu和2.78×10~(-8) esu。 2)首次制作了埋嵌有Ge纳米晶的高K栅介质(Al_2O_3、ZrO_2)形式的金属—绝缘体—半导体(MIS)器件，观察到了Ge纳米晶显著的电子存储特性。该结果为高K栅介质纳米浮栅存储器的可行性提供了重要依据。另外，由于Ge纳米晶束缚电子对外加电场具有屏蔽效应，在上述MJS器件中还观测到了负光电导现象。 3)采用改进的热蒸发技术成功地制备了大量四角状和线状一维ZnO纳米结构。该制备工艺不需要真空和使用其它的金属催化剂和添加剂，适合于工业化生产。 4)ZnO纳米结构的室温光致发光谱结果表明，位于510nm处的绿光发射直接和氧空位有关。电学测量结果表明一维ZnO纳米结构的电学特性受外界气氛和光照影响特别大。另外还制作了单根ZnO纳米线器件，研究了该纳米线器件的电学和光敏特性。 5)首次研究了四角状ZnO纳米结构的真空电子场发射特性。实验发现获得1μA／cm~2的电流密度只需要1.6V／μm的开启电场，为目前有关ZnO纳米结构场发射报道的最好结果。上述结果说明四角状ZnO纳米结构在真空电子器件领域具有十分诱人的潜在应用价值。 摘要6)首次结合微机械技术制作了2110纳米线气敏传感器，研究了器件对一乙醇蒸汽、氢 气、一氧化碳等气体的敏感特性。另外还基于电导开关模型，对一ZnO纳米线的气 敏机理进行了讨论。7)首次探索性地研究了2110纳米线的室温氢存储特‘}生。实验发现在3 .03MPa一jc’，2110 纳米线的储氢量可以高达0.83 wl%，而且在一个大气压下，71%的氢可以在室温 时释放出来。8)首次研究了四角状2110纳米结构光催化降解罗丹明B和2，4一二氯苯酚的特性。 结果表明四角状ZnO纳米结构降解罗月一明B的反应过程遵循准一级反应动力学， 表观反应常数K’为O.O46/min。另外通过对比实验发现，四角状ZnO纳米结构的 光催能力I羽显强于TIO:纳米颗粒(PZ:)。
张培[4]2011年在《Ge/SiO_2薄膜的光学特性和应用研究》文中指出Ge和Si都是间接带隙半导体材料,在光吸收和光发射方面与直接带隙材料相差甚远,这就影响了它在光电子方面的应用。人们为了突破体材料在光学特性方面的限制,在硅基质上制备了半导体量子点材料,这种纳米半导体材料,在光发射、光吸收以及三阶非线性光学等方面展现出了优异的特性,弥补了体材料的不足,为实现以硅为基质材料的光子器件迈出了重要的一步。这种纳米半导体复合材料在发光、显示、信息储存、传输、处理、光电探测及高速光开关等领域有着广泛的应用前景。本文采用射频磁控反应溅射技术制备了富Ge二氧化硅薄膜,通过高温热退火工艺形成纳米Ge镶嵌二氧化硅(nc-Ge/ SiO_2)复合薄膜。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)及紫外-可见吸收谱(UV-VIS)对薄膜样品的结构、键合状态、组分和带隙进行测试。实验表明:随着沉积厚度的增加,薄膜的吸收特性增强,但是近红外吸收区的特性却发生了改变;退火温度越高,晶粒平均尺寸越大,数量越多,它的能隙反而减小。在室温条件下,以氙灯265nm波长的紫外光作为激发光源,对薄膜的光致发光谱(PL谱)进行测试。结果表明,样品不仅可以发射紫外光,还能发射紫光及橙光。将不同制备参数和退火条件下的样品的发光图谱进行比较,结合薄膜表征的结果,分析影响发光效率的因素,认为纳米Ge晶粒和与氧相关的缺陷对发光强度影响较大。通过合理优化工艺参数,制备的样品在320nm和420nm处的发光效率得到了很大的提高。采用皮秒激光脉冲单光束Z-扫描技术研究了nc-Ge/ SiO_2复合薄膜的三阶非线性光学特性,激发波长分别为532nm和1064nm。测得其三阶折射率系数和非线性吸收系数分别为10~(-8)esu和10~(-7)m/W的数量级,认为材料的非线性极化率的提高来源于材料量子限制效应增强、表面态和缺陷态的吸收。首次报道了把nc-Ge/SiO_2复合薄膜作为可饱和吸收体插入激光二极管泵浦的平凹腔Nd:YVO_4激光器内,实现1.064μm和1.342μm激光的被动调Q运转,获得的脉冲宽度分别为25ns和40ns,并结合薄膜的非线性吸收特性,分析了被动调Q的产生机制。
申继伟[5]2008年在《a-Si/a-SiNx超晶格材料的发光与非线性光学效应的研究》文中提出近年来硅基纳米材料的研究已成为光电子领域中的一个新的热点,它的核心问题是如何实现高效率的硅基发光器件,以便于同其他的硅基光电子器件和微电子器件做在同一芯片上,实现单片光电子集成。氮化硅作为一种重要的薄膜材料,具有良好的绝缘性、致密性和稳定性,在微电子材料和器件的生产过程中,氮化硅作为钝化膜、绝缘层、扩散掩膜等得到越来越广泛的应用。本论文研究了a-Si/a-SiNx超晶格材料的制备技术,材料的微结构,光吸收以及光发射等光学性能;利用Z-扫描研究了a-Si/a-SiNx超晶格材料的非线性光学特性。本文采用射频磁控反应溅射技术,以Ar为溅射气体、N2为反应气体沉积了a-Si/a-SiNx超晶格材料。通过控制实验参数制备了不同势垒宽度和势阱宽度的a-Si/a-SiNx超晶格材料,并利用热退火技术对其进行后处理。利用红外光谱(IR)、X射线衍射谱(XRD)、能谱(EDS)和光致发光谱(PL),对不同工艺条件下薄膜样品的成分、结构和发光特性进行研究。研究表明,当a-SiNx层厚度不变,材料的光学带隙随a-Si层厚度的增加而减小;当a-Si层厚度不变,材料的光学带隙随a-SiNx厚度的增加而减小,该结果是由材料的量子限制效应所决定的。室温下观察到材料的可见发光峰,该发光机制主要来源于材料的量子限制效应。通过皮秒脉冲激光单光束Z-扫描技术研究了该材料的三阶非线性光学特性,激发波长分别为1064nm、532nm。实验结果表明,在1064nm激光激发下,样品的非线性折射率为负值,非线性吸收属于双光子吸收,由实验数据得材料的三阶非线性极化率为1.28×10-7 esu;在532nm激光激发下,样品的非线性折射率为负值,非线性吸收属于反饱和吸收,由实验数据得材料的三阶非线性极化率为1.46×10-7 esu,该值比体硅材料的三阶非线性极化率值大5个数量级。对材料光学非线性产生的机理进行了探讨,认为材料的非线性极化率的增加来源于材料量子限制效应的增强。
陈虎[6]2012年在《Ge/Al-SiO_2薄膜的光学性质及其应用》文中指出Si、Ge体材料均为间接带隙半导体材料，其光学跃迁需要声子的参与，故发光效率很低。为了突破间接带隙半导体体材料在发光方面的应用限制，人们制备出多种半导体量子点材料。这些受到基质强烈三维限制的半导体量子点材料，表现出独特的发光和光学非线性特性，引起了人们的极大兴趣，为实现以硅基材料为基础的光电集成提供了重要的理论依据和物质基础。这类半导体量子点材料在发光、显示、信息处理、光电探测及高速光开关等领域有着广泛的应用前景。本文采用射频磁控共溅射技术制备了Ge/Al-SiO_2薄膜，通过高温热退火工艺形成了含纳米Ge和纳米GeO_2薄膜。采用X射线衍射谱（XRD）、傅里叶红外吸收谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）及紫外-可见吸收谱(UV-VIS)对薄膜材料的成分和微观结构进行了表征和分析。实验表明：经高温退火后的薄膜样品中出现了Nc-Ge和Nc-GeO_2晶粒，并且GeO_2晶粒尺寸随退火温度的升高先增大后减小。在室温条件下，用氙灯260nm的紫外光作为激发光源，对薄膜的光致发光谱（PL谱）进行测试。结果表明：Al的掺杂不仅促进了GeNOV缺陷和SiNOV缺陷中心的形成提高了薄膜中氧缺陷的浓度，还显著地提高了GeNOV中心和SiNOV中心的光发射效率，同时还在GeO_2晶粒中引入了新缺陷能级，从而产生494nm这一特殊的发光带。采用皮秒激光脉冲单光束Z-扫描技术研究了Ge/Al-SiO_2薄膜的三阶非线性光学特性，激发波长分别为532nm和1064nm。测得薄膜的三阶非线性极化率为x~(3)=2.75×10~(-8)(e su)。认为量子限域效应和双光子吸收效应是产生Ge/Al-SiO_2薄膜非线性增强的主要原因，同时Al的掺入也增强了薄膜的三阶非线性效应。把Ge/Al-SiO_2薄膜作为可饱和吸收体插入LD泵浦的Nd:YVO_4激光器内，实现1.064μm激光的被动调Q运转，得到单个脉冲宽度为12.47ns脉冲波形，并结合薄膜的非线性吸收特性，分析了被动调Q的产生原理。同样把Ge/Al-SiO_2薄膜插入闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器中，实现1064nm激光的被动锁模运转，得到了脉冲宽度约为40ps的锁模脉冲，锁模几率和稳定性都较好。
郑大器[7]2015年在《氢化纳米硅薄膜非线性光学性质研究》文中研究表明随着半导体电子集成器件的尺寸逐渐逼近量子遂穿的极限,摩尔定律正面临着极大的挑战。近几十年来,光子学器件由于相比于传统电子学器件拥有更加稳定、更加快速、更加低能耗等众多优点逐渐被研究人员所重视。未来若需要继续维持芯片发展速度的摩尔定律,器件的研究由电子学转为光子学是十分必要的。现在,硅基光子学技术,借助硅材料极大的元素储量导致的廉价成本以及与现代微电子加工技术的完美兼容和良好的光电混合集成特性,正逐渐实现大规模的商业化应用,是目前国内外最重要的前沿研究领域之一。由于体材料硅本身间接带隙的限制,使得其无法被直接用来设计制备光发射或是吸收器件。然而利用硅基材料尺寸减小到纳米量级时产生的量子限制效应以及光吸收/发射时不再需要完美遵循动量守恒定律的特点,我们即可以填补这一缺陷。目前对于纳米量级硅材料的光学性质已有了一部分的研究,然而对于氢化纳米硅非线性光学方面的了解还十分欠缺。这一方面性质在光子学器件中也很重要,若是能够对其进行控制,则可以制备各种非线性光学元器件;相反,若是对其毫无了解,则可能由于例如自聚焦等非线性效应造成破坏。本论文主要对于以下几点进行了较为详细的研究:(1)利用等离子体增强气相化学沉积法,控制氢稀释比、射频电源功率、沉积温度等条件制备了一系列不同禁带宽度的氢化纳米硅薄膜样品。(2)利用开孔z扫描实验方法测量了氢化纳米硅薄膜的非线性光吸收系数。(3)利用闭孔z扫描实验方法测量了氢化纳米硅薄膜的非线性折射率。(4)采用飞秒激光对于样品进行微米尺度的激光诱导晶化,并利用开孔z扫描手段研究晶化后样品产生的奇特非线性光吸收现象。氢化纳米硅的结构为硅纳米晶体镶嵌于无序的非晶硅网格之中,它可以由等离子体增强气相化学沉积法进行廉价并且大规模的生长,故可以集成至绝大多数的光电子学器件之中。之前对于氢化纳米硅的研究多数集中于量子限制效应,电子学性质和线性光学性质,其非线性光学性质,尤其是例如全光开关等光子学器件的研究还较少。本文利用z扫描方法对于其非线性光学性质进行了详细的研究,我们发现,氢化纳米硅薄膜的非线性光吸收性质可以分别由入射激光的波长、强度以及样品的禁带宽度独立进行灵敏的由饱和吸收至反饱和吸收的调节。我们利用修正了的三阶非线性光吸收微分方程对于实验数据进行了完美的拟合,并从样品所拥有的带尾态这一独特能带结构对于这种调制现象进行了解释。另一方面,由于硅材料中非常明显的载流子色散效应,导致吸收了光子之后跃迁至带尾态以及导带中更高能态的电子会对于材料的折射率产生重大影响。我们可以通过调节入射光的波长,将样品的非线性折射率在饱和型折射和克尔型折射之间灵敏调节。之后我们进一步建立模型定量研究了各个波长之下两种非线性折射机制的大小。由于我们可以通过入射光波长、强度以及样品的禁带宽度来灵敏调节氢化纳米硅材料的非线性吸收系数和非线性折射率,为利用其制备非线性光学元器件打下了良好的理论基础。在进行开孔Z扫描实验的过程中,我们发现当入射光强度超过一定的阈值之后,样品的非线性吸收性质将会发生一个不可逆的突变,吸收率将会增大700%以上,并且不再随入射光波长和强度的改变而改变。我们对于吸收突变后的样品进行了详细的物性分析,发现激光照射区域发生了微米尺度的激光诱导晶化。我们利用晶化后样品吸收系数的改变提出了空间渐变吸收理论,完美的解释了我们所观察到的现象。这一现象对于设计新型弱光非线性器件有着一定的帮助。最后我们利用这一效应制备了一种新型光限幅器件,并对于其性能进行了测试。
董慧龙[8]2016年在《新型碳/硅基纳米材料光电性能与应用的理论模拟与计算》文中进行了进一步梳理碳基和硅基的低维纳米材料通常都表现出优异的光电性质,在现代高新科技领域中有着广泛的应用。通过不同类型材料的复合、碳硅原子的化合(合金化)或已有材料的异构化而来的新型碳/硅基纳米材料可以表现出比已有的材料更为优越的物理化学性质,在光电和化学领域展现出了巨大的应用潜力。本文采用了多种理论计算手段,对一些近年来新合成或新预测的低维碳/硅基纳米材料的光电性质和潜在应用进行了深入的理论模拟和计算。研究对象涵盖零维、一维和二维的碳/硅基纳米材料,并从新材料设计的角度对整个工作进行了总结。本文第一章是低维碳/硅基纳米材料的研究现状介绍,分别从碳基纳米材料,硅基纳米材料,以及碳硅复合纳米材料三个方面对已有的低维碳/硅基纳米材料的种类、物理性质和应用进行了归纳,并重点介绍了一些近年来新合成或预测的碳/硅基纳米材料(如核壳纳米结构、硅化石墨烯和纳米石墨烯)。第二章对本文在纳米材料模拟和计算过程中所涉及的计算方法、理论和所用软件进行了总结。重点介绍了密度泛函理论(DFT)和密度泛函紧束缚方法(DFTB)的理论基础和相关的计算软件,同时也对分子动力学和分子力学等理论计算方法进行了简要介绍。第三章和第四章是对两类已被实验合成且被广泛用于光电领域的核壳纳米结构Si/SiO2核壳硅量子点和硅-碳二元核壳纳米线的光电性质调控研究。我们的计算结果表明核壳量子点或核壳纳米线的光电性质随核壳材料的比例变化会产生“弓形效应”而非线性变化。弓形效应的存在表明核壳纳米结构的电子结构总是由多种竞争性因素所决定的。第五章和第六章是对两种半导体型硅化石墨烯g-SiC2和g-SiC7在能源和光电领域的潜在应用的模拟研究。其中g-SiC2硅化石墨烯以其独特的硅碳交替排列晶格结构表现出了对氧气分子的良好吸附能力,在碱性环境下可以用作高效的氧还原反应(ORR)催化剂。而g-SiC7硅化石墨烯有着适中的能带带隙(1.13 eV)和对太阳光的优异的光吸收能力,有望被用作下一代柔性光电器件(如太阳能电池)中的给体材料。第七章系统研究了新型的纳米石墨烯TB8C及其衍生物在金属原子吸附方面的潜在应用价值。计算结果表明TB8C纳米石墨烯的弧线形结构使得其在吸附金属原子方面相比于本征的石墨烯有了巨大的提升,而基团修饰的结果则表明采用氨基对TB8C进行改性修饰可以进一步提高其对金属原子的吸附能力。我们通过表征金属和纳米石墨烯之间的键级得出了元素价电子构型与其在纳米石墨烯表面上成键类型之间的联系。这一研究表明纳米石墨烯在运载金属原子(特别是碱金属原子)方面有着极大的应用潜力。最后,第八章从新材料设计的角度对整个论文的工作进行了系统总结。
张吉化[9]2016年在《基于硅基表面等离子体波导的光学非线性增强》文中研究指明硅基光子学是目前最有潜力去解决集成电子学链路遇到的固有带宽和功率密度瓶颈的平台,是集成光子学领域最热门的研究方向之一。但硅基光子学的持续发展也碰到一些困难和挑战。首先,光学器件的尺寸始终受到衍射极限的限制,在光电混合集成中与小尺寸的电子学器件间存在尺寸失配的问题。其次,硅拥有中心对称的晶体结构,不支持二阶非线性效应,同时硅里面还存在载流子效应,这些因素限制了硅在非线性光学信号处理中的多样性和处理速度。由于可以把光场限制在突破衍射极限的亚波长区域内,表面等离子体光子学(Plasmonics)器件成为了解决第一个挑战的优良候选,同时在Plasmonics结构中存在的强局域场增强可以增强光与物质的相互作用,从而可以提高非线性效应的效率和降低功耗。对于第二个挑战,硅基有机物混合集成受到了越来越多的关注,把高非线性和没有载流子效应的的有机聚合物材料集成到硅基光子学平台上作为有源材料,可以进一步提高非线性器件的效率。在本论文中,我们同时把表面等离子体激元和有机物非线性材料集成到硅基光子学平台上,构成硅基表面等离子体有机物结构,并研究了这种混合结构的非线性特性。这种结构结合了三者的优势,可以在短距离内和低泵浦功率下实现高效的光学非线性过程,在非线性集成光子学中有很大的应用前景。本论文的研究主要集中在表面等离子体狭缝波导(PSW)和混合表面等离子体波导(HPW)这两种波导结构上,具体研究内容如下：(1)提出并详细推导了一种全矢量的适用于损耗波导的非线性耦合波方程,并用它来分析硅基表面等离子体波导中的各种非线性效应。(2)在PSW中,论文首先研究了增强的二次谐波(SHG)效应,理论上预测的归一化SHG效率高达105 W-1cm-2,比以前报道的结果高出了四个数量级。然后通过在PSW的两边施加一个控制电压,进一步研究了SHG过程的电控特性,这种电控SHG效应可以应用于新型的高速电光调制器。此外还研究了PSW中的非线性光整流(OR)效应,当一个强度调制的光信号进入波导中时,通过OR效应可以在波导两侧的电极之间产生一个电信号,电信号的频率正好是输入光信号的调制频率,且产生电信号的大小与光载波波长的相关性很小,有望应用于高速宽带的光探测和光解调。(3)在HPW中,我们同样研究了高效率的从中红外到近红外的SHG转换,对于100 mW的泵浦功率和120 μm的波导长度,二次谐波效率可以达到8.8%。然后利用微环谐振器的谐振增强,把效率进一步了提高两个数量级,这种结构有望应用于中红外和近红外之间高效率的片上波长转换。此外,我们还研究了对称HPW中的高效光参量放大过程,并基于这种相敏放大过程实现了相移键控信号的相位再生。(4)最后本论文还在实验中设计、制作并测试了PSW以验证OR效应,目前取得了一些初步成果,比如在超净间里制作了低损耗高质量的线性波导,PSW的测试损耗与理论损耗值很接近,然后成功把二阶非线性聚合物材料均匀悬涂到片子上,现在正在测试波导的非线性特性。
仝晓刚[10]2016年在《硅基纳米光波导谐振腔非线性光学特性及调控》文中指出硅基纳米光波导是在亚波长尺度实现光信息传输、耦合、与物质相互作用的低损耗导波结构,可构成光源、功能敏感单元,是光电集成传感和光信息芯片的基础,且绝缘体上硅(SOI)一系列重大的研究突破使得硅基材料被认为是构建集成光子器件的理想平台。然而这种全光互连的器件如果要应用到大众消费市场必须基于低成本的技术。所以具有高集成度的硅基光子技术微纳米光学器件掀起了全球的学术界和工业界研究热潮。本文围绕硅光子器件中的关键组成—硅基波导谐振器的相关特性及其应用进行分析研究。该谐振器主要由纳米波导光栅、传输光波导、高品质因子(Q)环形微腔在同一平面制备集成。对于性能优良高集成的硅波导谐振器,其主要影响因素有:高效的光导入(耦合),传输波导的低损耗以及高Q谐振腔等多方面的挑战。本文基于纳米光波导单模(TE模)传输条件下,如何抑制波导传输损耗,提高纳米光栅垂直耦合效率,保持谐振腔高Q值进行理论分析,其次对波导谐振器的温度特性,光学线性特性进行测试分析,对光学非线性特性及全光学开关等相关应用进行了实验研究。相关研究内容可归结为以下几个方面:1、利用FDTD和RSOFT软件对纳米光波导结构单元中的纳米光栅、条形波导、光波导微腔进行了光学传输特性分析。首先对传输光波导的单模传输特性进行数值分析,对光波导传输损耗进行分析优化;其次,基于光学单模传输,给出光栅耦合效率的计算方法,对光栅耦合效率影响的主要参数光栅深度、周期与占空比等进行优化分析,最终确定周期为590nm、占空比为50%的纳米光栅结构,传输纳米光波导宽度为450nm,厚度为220nm。在理论分析微环谐振腔主要性能参数的基础上,重点分析了纳米光波导微腔与传输波导耦合系数、传输损耗的影响机制,并对相关参数进行数值仿真分析。最后利用L-Edit软件对微腔谐振器集成单元进行了优化设计。2、通过微纳跨尺度工艺模式,结合电子束曝光与深硅刻蚀技术,通过采用Bosch工艺循环干法刻蚀方法,提高传输波导侧壁陡直度,降低了传输波导损耗,克服了微纳一体化制备中的邻近效应、迟滞效应、微掩膜效应等工艺技术难点,制备了硅基集成纳米光栅、传输光波导、谐振单元一系列不同结构的微腔谐振器结构。3、基于高Q单环微腔,首先对微腔的线性特性进行了测试分析,得到了传输损耗为0.532dB/cm和品质因子为105高Q值微腔,同时对微腔的温度特性进行了测试,谐振波长的线性度为54.1pm/℃。其次研究了硅基微环谐振腔的光信号调控技术,利用单微腔结构,通过单光束功率调控注入方式分析了微腔的光学热非线性特性,得到谐振峰红移阈值0.34nm。在理论分析光学开关的基础上,研究了基于热非线性效应的双光束调控注入模式的微环谐振腔全光开关的方案,通过调控优化对应波长的光功率实现了消光比为15dB和开关时间为微秒量级的全光学开关;其次分析了单微环谐振腔的光延时特性,通过调控两个相邻谐振波长的光功率,发现探测光功率的大小与光延时量成正比关系,通过相互调控最终获得了15.4ps和8.5ps的最大延时量。
参考文献：
[1]. 硅基纳米材料的光学非线性研究[D]. 何江流. 华侨大学. 2000
[2]. 纳米Si-SiN_X复合薄膜发光与非线性光学性质的研究[D]. 吕蓬. 华侨大学. 2007
[3]. 零维Ge和一维ZnO纳米结构与器件[D]. 万青. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2004
[4]. Ge/SiO_2薄膜的光学特性和应用研究[D]. 张培. 华侨大学. 2011
[5]. a-Si/a-SiNx超晶格材料的发光与非线性光学效应的研究[D]. 申继伟. 华侨大学. 2008
[6]. Ge/Al-SiO_2薄膜的光学性质及其应用[D]. 陈虎. 华侨大学. 2012
[7]. 氢化纳米硅薄膜非线性光学性质研究[D]. 郑大器. 上海交通大学. 2015
[8]. 新型碳/硅基纳米材料光电性能与应用的理论模拟与计算[D]. 董慧龙. 苏州大学. 2016
[9]. 基于硅基表面等离子体波导的光学非线性增强[D]. 张吉化. 华中科技大学. 2016
[10]. 硅基纳米光波导谐振腔非线性光学特性及调控[D]. 仝晓刚. 中北大学. 2016
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