片上高Q光学微腔与石墨烯复合结构的全光调制器件研究

Optical modulator is the critical device in fields such as optical communications. Graphene which has the character of ultra-short intrinsic response time could be applied for the ultra-fast optical modulator. However, the light-matter interaction is inefficient due to the subnanometre thickness of graphene as well as its low light absorption rate, which could reduce the modulation depth. Therefore, this proposal will design a hybrid structure consisting of ultra-high-Q WGM microcavity and graphene, which has the ability of enhancing light-matter interaction due to the resonance effect of microcavity, subsequently realizing the ultra-fast all-optical modulator with low-pump threshold and high modulation depth. This proposal will study the theoretical realization of all-optical modulator and then fabricate the ultra-high-Q microcavity to realize the hybrid structure. The influence of graphene with different layers and gap between microcavity and graphene on the quality factor and resonant wavelength of hybrid structure would also be studied. On this basis, this proposal will study the variations of the threshold of saturable absorption, response time and modulation depth for realizing the ultra-fast all-optical modulator with low-pump threshold and high modulation depth. The results can not only provide reference and basis for the application of high-Q microcavity in graphene-based modulator, but also have practical value for the application of ultra-fast optical modulator.

光调制器是光通信等领域的关键器件。石墨烯具备的超短本征响应时间特性可被用于实现超快光调制器，但其单原子层结构和低的光吸收率会减弱其与光的相互作用，降低调制深度。为此，本项目提出将片上超高品质因子（Q）的回音壁模式氧化硅光学微腔与石墨烯结合，制备出二者的复合结构，利用高品质因子微腔的共振效应极大地增强光与石墨烯的相互作用，从而达到实现低阈值泵浦且高调制深度的超快全光调制器的目的。项目将研究从理论上实现复合结构的全光调制效应，并依据理论结果制备出超高Q的光学微腔及其与石墨烯的复合结构；研究石墨烯的层数及其与微腔的间距对复合结构中微腔的品质因子与谐振波长等的影响；在此基础上，探讨复合结构中石墨烯的饱和吸收阈值、响应时间及调制深度的影响规律，以实现低阈值泵浦且高调制深度的超快全光调制器。项目成果不仅可以为高Q光学微腔在石墨烯光调制器中的应用提供参考和依据，对超快光调制器的发展也具有实际应用价值。

光调制器是光通信等领域的关键器件。石墨烯具备的超短本征响应时间特性可被用于实现超快光调制器，但其单原子层结构和低的光吸收率会减弱其与光的相互作用，降低调制深度。为此，本项目提出将片上超高品质因子（Q）的回音壁模式氧化硅光学微腔与石墨烯结合，制备出二者的复合结构，利用高品质因子微腔的共振效应极大地增强光与石墨烯的相互作用，从而达到实现低阈值泵浦且高调制深度的超快全光调制器的目的。理论上，通过耦合模式理论和COMSOL等仿真软件详细研究微环芯腔与石墨烯的复合结构及其相关性能参数，揭示了石墨烯对微腔中不同偏振方向的模式吸收系数不同。实验上，制备超高品质因子的微环芯腔,将其与石墨烯耦合实现了可调光滤波器及光开关，其消光比可达31 dB。同时，制备出超高品质因子的微球腔，并与石墨烯耦合实现了偏振消光比为11 dB的光偏振控制器。另外，理论上，对一些新型的回音壁模式光学微腔给予了详细的研究与分析。其一为双层微环芯腔的设计。由于“沟槽效应”，光学模式极大地受限在空气间隙中，形成非常小的模式体积，同时腔外能量比率可以高达90%，非常有利于微腔的高灵敏度传感和光学捕获研究。其二为“太极型”回音壁微腔实现多重法诺共振且用于高灵敏度传感研究。微腔中的S型波导分支有利于产生更多的等离激元微腔模式，从而为实现密集的多重法诺谐振提供理论支撑。同时，针对一些新型的微结构光纤给予了详细的研究与分析。其一为多段错位熔接微光纤结构。多个开放腔结构增强了传输光与环境介质的相互作用。错位熔接可以实现更多高阶模式的稳定传输，进而增强多模式干涉，实现高灵敏度的折射率传感研究。其二为微光纤支撑的多聚合物微球结构用于高灵敏度的折射率传感研究。理论上揭示了同时存在着由折射和反射导致的多光束干涉和各个聚合物微球腔中的回音壁模式，从而实现高灵敏度的传感研究。