基于硅-石墨烯复合结构的高速空间光调制器

Spatial light modulator(SLM) is the key component for optical information processing, however, current SLM still have drawbacks in some aspects such as speed, size, cost and so on. Thus it is extremely important to develop a new type of SLM with high speed, low cost and capability of large scale integration. Here, we proposed a new SLM based on the silicon-graphene hybrid structure. Firstly, the device can manipulate the free space wave through the 1D silicon photonic cavity based on diffraction coupling scheme. Secondly, the electron inter-band transition for graphene in the communication band can be controlled by tuning its fermi level. Then both the refractive index and absorption coefficient for the graphene can be changed which in turn determine the resonant wavelength and quality factor for the 1D photonic crystal cavity. In this way, the free space wave can be modulated by tuning the fermi level of graphene. As graphene has ultra-high electron mobility and electro-optic effect, the modulation speed is expected to be 80GHz with extinction ratio larger than 10dB.This compact SLM has fast modulation speed, small dimension, low cost and the capability of large scale integration which will be an important component for the development of optical information processing.

空间光调制器是光信息处理中的关键器件，其性能直接影响了未来光信息处理技术的发展。现有的空间光调制器在速度、尺寸等方面还存在各种不足，不能完全满足未来光信息处理技术的要求。本项目中拟从材料和器件结构入手，在硅器件上引入具有高电子迁移率和高电-光作用效应的新材料石墨烯以增强器件的反应速度和有效电-光作用效应，提出了一种基于硅-石墨烯复合结构的新型空间光调制器。该调制器首先利用衍射耦合方式，实现硅基一维光子晶体谐振腔对自由光束的耦合；其次通过利用电容器结构调节石墨烯的费米能级控制它的电子带间跃迁，改变石墨烯在通讯波段上的损耗和折射率，进而控制谐振腔的品质因素和谐振波长，实现对空间光束进行调制。前期研究预期该器件的调制速率可以达到80GHz同时调制波形的消光比达到10dB。 由于该器件具有调制速度快、尺寸小、价格低、可大规模集成等特点，可望对光信息处理技术的发展产生一定作用。

空间光调制器是光信息处理中的关键器件，其性能直接影响了未来光信息处理技术的发展。现有的空间光调制器在速度、尺寸等方面还存在各种不足，不能完全满足未来光信息处理技术的要求。为了改进空间光调制器的上述不足，本项目拟利用石墨烯高电子迁移率的优势实现高速的电光空间光调制器。.本项目首先理论分析研究硅基空间光调制器工作机理，并研究了对应器件结构和石墨烯性能对工作速度的影响，包括电子迁移率、电容器效应等影响，经过分析，速度可以达到45 GHz以上，消光比可以在10 dB以上，成果发表在Optics Letter上。其次为了研究实际石墨烯制备器件的速度，我们转移石墨烯到集成光电子器件上，研究论证了利用石墨烯高电子迁移率、高热导率的优势，可以提升集成器件的速度，成果分别发表在Optics Express和Nature系列期刊Scientific Reports上，同时相关工作以邀请论文形式发表在Photonic research上（通信作者），同时在科技导报上发表了一篇邀请论文。再次为了研究分析石墨烯空间光调制器中关键的离子掺杂技术和接触电阻减小技术，经过器件设计和制备，通过在上海交通大学AEMD平台制备硅基微环调制器进行验证，实验速度达到20 GHz以上，可以为基于石墨烯的硅基空间光调制器打下基础。通过本项目实施，我们研究论证了实现高速的基于石墨烯的硅基空间光调制器的技术路线。由于该器件具有调制速度快、尺寸小、价格低、可大规模集成等特点，可望对光信息处理技术的发展产生一定作用。.本项目在Optics Express, Optics Letters, Photonics Research等期刊上共发表论文12篇，其中一篇论文以邀请论文方式发表在Photonics Research上。在国际会议如Asia Communications and Photonics Conference (ACP) 2017会议上作特邀报告3次，申请中国发明专利4项。项目执行过程中，项目负责人担任了Journal of Nanomaterials客座编辑，上海市IEEE光子学会副主席，担任了PIERS 2016的分会副主席。申请人担任了著名国际会议OECC的技术委员会委员1次。毕业硕士研究生 3人，本科生1人。