超高品质因子光学微腔和石墨烯之间的可调控耦合现象研究

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nimashabi2009
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近些年来,由于氧化硅光学微腔具有很多优异的光学性质,例如高品质因子、较小的模式体积等,在光子学研究中受到了特别的关注。对氧化硅光学微腔的研究方向包括腔光力学、腔电动力学、非线性光学等基础科学领域和微腔激光器、生物传感器等应用科学领域。氧化硅光学微腔可以和其它各种光电子器件如波导、电极等集成于硅片上,并可以在片上充当滤波器、激光器等重要部件,使其有潜力在目前快速发展的光通信领域和未来可能到来的光计算时代占据重要的位置。将氧化硅光学微腔应用为光学芯片上的关键部件,对其光学性质进行调控便是非常重要的问题,本文所展示的工作将引入石墨烯做为吸收体,对微腔的光学性质进行调控。石墨烯只有一个原子的厚度,但却具有优异的电学和光学性质,其高电子迁移速率、低面电阻等电学性质和宽吸收带宽、高透射率等光学性质,使其广泛应用于各种光电子器件,如显示屏、光电探测器等。石墨烯在硅基光子学上的应用非常广泛,在本文中,我们将石墨烯与超高品质因子光学微腔进行耦合,探索石墨烯将对光学微腔的光学模式产生的影响。本文中我们使用的光学微腔是角上的氧化硅微环芯腔。角上氧化硅微环芯腔的制备,是基于一套成熟的微腔加工工艺流程,并加入了我们的创新和优化。考虑到石墨烯独特的二维材料性质,我们设计了多种承托石墨烯的衬底,并对衬底的效果进行了检验,以确保衬底不会对实验结果产生影响。为了满足测量需求,并使石墨烯和光学微腔有效地进行耦合,我们精心设计了一套耦合系统。在测量中,角上微环芯腔采取倒置的摆放方式,石墨烯则处于微环芯腔的正下方,通过压电位移台控制微环芯腔与石墨烯之间的距离,使两者在垂直方向进行耦合。在实验中,当石墨烯和微环芯腔的间距减小到一定程度时,可以看到明显的耦合现象,主要表现为微环芯腔品质因子(Q)的减小和谐振模式波长的漂移。微环芯腔的Q值从1.59×107降到了 1.20×105,改变了 133倍,谐振模式波长从1587.0636 nm变至1587.0838 nm,往长波方向漂移了约20 nm,这些现象说明石墨烯和微环芯腔之间发生了强烈的耦合,石墨烯对微环芯腔的光学性质产生了明显的调控作用。除此之外,在本文中还展示了石墨烯对恰耦合状态的影响。这些性质和现象,使光学微腔有可能应用于诸如距离传感器、可调谐滤波器等领域。
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