论文总字数：15915字

摘 要

集成光调制器作为光纤通信的重要组成部分,设法提高其调制速度、调制深度、器件尺寸和光带范围则是未来的研究重点。虽然硅基光调制器在此前被很多人研究，但是其器件尺寸仍然是毫米量级，且硅晶体不存在线性电光效应,这些缺陷对调制速率和深度都会产生一定的限制。石墨烯优越的光学、电学特性，将其与传统光调制器结合为上述问题的解决提供了可能。本文将从石墨烯的原子构造和能带结构入手，认识其与光产生相互作用的机理，利用表面等离激元（SPP）特有的亚波长局域性的特点，结合石墨烯与光的作用，通过对石墨烯进行掺杂（如外加电压），改变石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯对光的吸收，达到对光的调制。借助于商用模拟软件，可以直观计算出石墨烯对光的调控，得到开关状态下的调制深度。为进一步优化提高器件性能打下了基础，对拓展基于SPP的石墨烯光调制器提供了可能。

关键词：光调制 表面等离激元 石墨烯 光开关

Hybrid graphene plasmonic waveguide modulators

Abstract

As an important component of optical fiber communications, some characters of integrated optical modulators, such as modulation speed, modulation depth, device size, and optical band range, which will be the targets of future researches. Although silicon-based light modulators have been studied by many people before, their device size is still of the order of millimeters, and linear electro-optic effect doesn’t exist in silicon crystals. These defects will impose certain limitations on the modulation rate and depth. The superior optical and electrical properties of graphene, combined with traditional optical modulators, provide the possibility to solve the problems above. This article starts with the atomic structure and energy band structure of graphene, revealing its mechanism of interaction with light, Utilizing the unique sub-wavelength localized characteristics of surface plasmon(SPP), and combined with the effects of graphene and light. By doping the graphene (such as applying gate voltage), the Fermi level of the graphene can be changed, thereby the absorption of light is changed by the graphene, functioned as modulator of the light. With the help of commercial simulation software, the regulation of light by graphene can be calculated intuitively, and the modulation depth in the switch state can be calculated. It lays the foundation for further optimizing and improving the device performance, and provides the possibility to expand the graphene optical modulator based on SPP.

Keywords: Optical modulation; Surface plasmon; Graphene; Optical switch

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 表面等离激元 2

1.2.1 表面等离激元（SP）的发展历程 2

1.2.2 表面等离激元（SP）的定义 2

1.2.3 表面等离极化激元（SPP）的传输与强局域性 2

1.3 石墨烯 3

1.3.1 石墨烯的发展历程 3

1.3.2 石墨烯的空间结构 3

1.3.3 石墨烯的能带结构 4

1.3.4石墨烯的特性 5

1.4本论文主要的研究工作： 6

第二章 介质平板波导 7

2.1平板光波导 7

2.2平板波导的模式 7

2.3 银-二氧化硅-空气平板波导 8

第三章 混合石墨烯光波导调制器 12

3.1 石墨烯的调制性能 12

3.2 基于石墨烯的硅波导调制器 12

3.3 石墨烯费米能级的电压调控 13

3.4石墨烯和金属等离子体波导的结合 14

3.5 石墨烯介电常数的计算 14

3.6 调制深度的计算 17

第四章 总结与展望 23

4.1 本论文总结与讨论 23

4.2 进一步研究 23

参考文献 25

第一章 绪论

1.1 引言

互联网技术普及以来，过去三十年间所产生的信息量比之前几千年产生的都要多得多，可以说我们的四周充斥着各式各样的信息，所以该如何高效处理这些信息就成了我们一直面临的一个问题。然而近年来，带宽受限的电气互连已经无法满足对信息处理和电信业务日益增长的需求。传统的集成电路，由于电子迟豫，致使处理速度有限；再者随着摩尔定律即将不再适用，提高普通电路的集成度将会越来越难。与此相反，光子技术使大量信息能够在很小的光波导内以极高的速度传输并且损耗很小，因而其被越来越多的人关注和研究。未来电信网络的关键组成部分之一便是电光调制器，它可以被用作为电领域转化到光领域的通道。这些对于低能量发射机特别有吸引力，因为它们没有可能限制的阈值，并且可能更容易与可用的硅平台集成。一个光调制器可以通过施加调制信号，从而改变光的性质。光开关作为光信息系统的重要一环，它可以实现对光传输线路的光信号进行互相转换或逻辑操作。光开关种类繁多，如传统的机械式光开关，至今仍被广泛应用。非机械式光开关主要是基于各种物理效应制成的开关，如热光开关、声光开关、电光开关等。虽然光开关技术已日趋成熟，不过它们还存在切换时间慢（热光开关），操作带宽太窄和占地面积大（电光开关）等缺陷。因此，有必要寻找新的技术使得在较小的活动区域内实现较高的操作条件。

表面等离激元的兴起与石墨烯这一新材料的出现为上述问题的解决提供了可能。作为纳米光子学的子领域，表面等离激元具有亚波长局域性，这一特性能够有效提高集成度。所以可以说等离子体光学是传统电子学向光子学转变的桥梁。而且等离子体波导能够提供更小体积的传播模式和场强增强，其会导致更高的调制深度。

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