复合型微结构材料电光特性的调控机理和制备方法研究

Electro-optics material is a kind of optical function material with electro-optics effect, which relates to a change in the refractive index of the medium in response to an electric field that varies slowly compared with the frequency of light. It is the basis of electric-optics devices, such as optical switch, optical modulator. The change in refractive index, electro-optics coefficient and modulated band witdh of conventional electric-optics materials cannot meet the demand of the development of laser and optical communication because of the limition of their intrinsic properties.In order to increase the change in the refractive index, the electro-optics coefficient and band width of laser modulator the project will design a new kind of electric-optics materials that assembled by microstructured and conventional electro-optic materials. The electro-optics effect can be enhanced and tuned by structure dimensions of microstructured materials.We discuss the basic principle and mechanism of tuning the electro-optics properties of conventional electro-optic materials by adjusting the dimensions of microstructured materials,composition of conventional electro-optics materials and the combination of them. We also prepare the complex microstructured electro-optics materials with high electro-optics coefficient and demonstrate the electro-optics properties of complex microstructured electro-optics materials with wider bandwidth( more than 60 GHz) at 1550 nm by experimental.

电光材料是具有电光效应（即在外加电场作用下材料的折射率发生变化的现象）的光学功能材料，是光开关、光调制器等光电子器件的基础。常规电光材料受其固有特性的限制，其折射率变化、电光转换效率、调制带宽等已难以满足目前激光和光通信技术发展的需求。本项目提出一种将微结构材料的可调谐结构特性与常规电光材料的电光效应特性复合的思想，设计并制备一类复合型微结构电光材料，突破常规电光材料电光转换效率和调制带宽受限的瓶颈。具体将研究复合型微结构电光材料的电光效应特性及其调谐机制，建立复合型电光材料的电光效应与微结构材料的结构参数、常规电光材料的特性参数、微结构材料与常规电光材料的复合方式等之间的关系。在此基础上，研究复合型微结构电光材料的制备方法，针对1550nm光通信波段宽带调制器的应用需求，制备出调制带宽60GHz的高性能复合型微结构电光材料，实验演示材料的特性和功能。

针对现有电光材料难以满足应用需求的现状，结合近年来光波段微结构材料的快速发展，本项目将微结构材料的可调谐结构特性与常规电光材料的电光效应特性复合，设计并制备出复合型微结构电光材料，突破常规电光材料电光转换效率和调制带宽受限的瓶颈。具体研究了复合型微结构材料的电、磁、光效应特性及其调谐机制，建立了复合型电光材料的性能与微结构材料的结构参数、微结构材料与常规电光材料的复合方式等之间的关系。取得的进展和重要结果有：（1）建立了渔网结构的长度、宽度以及厚度等结构参数与其S参数之间的定性关系；（2）采用非均匀介质等效电磁参数提取方法，利用matlab编程提取电磁参数，通过电磁仿真软件计算出来的S参数和相位计算折射率，建立微结构材料的结构参数与其折射率之间的关系；（3）通过分析微结构材料的电场/磁场、功率流、电流密度和电磁能量密度等特性，揭示微结构材料的结构因素与其局域场分布的内在联系；（4）将半导体材料砷化镓、碲化铋等于渔网结构进行复合，通过研究其复合方式、单元尺寸等与复合材料S参数之间的关系，得到最佳的组合方案；（5）计算了二维材料石墨烯电导率随频率的变换关系，将石墨烯与微结构材料进行复合，模拟仿真了石墨烯渔网结构的反射透射系数与石墨烯层数、位置及微结构之间的定性关系。（6）针对1550nm光通信波段宽带调制器的应用需求，制备出了调制带宽达30GHz的高性能复合型微结构电光材料。