报告题目：片上石墨烯光调制器和探测器

报告人：甘雪涛，西北工业大学理学院，副教授

邀请人：倪振华
时 间：3月24日（周二）上午10:00
地 点：田家炳楼203会议室

摘要：

石墨烯独特的电子结构使其具有三维材料无法比拟的光学性质。例如石墨烯的零带隙及线性色散使其对可见至近红外波段的光波均表现出2.3%的吸收系数，且可通过改变其化学势进行调节；石墨烯狄拉克点附近的高电子态密度使其表现出强烈的饱和吸收及四波混频等非线性行为。与石墨烯优良的电学特性相结合，许多石墨烯光电子器件被相继报道，例如超快探测器、宽带调制器、锁模激光器等。虽然石墨烯具有强烈的光学响应，但其单层结构使其无法与光子进行有效相互作用，限制了其中物理现象的揭示和光电器件的开发。

本报告将介绍通过将石墨烯与平板光子晶体（PPC）微腔相集成，利用波长尺度的共振模实现强烈增强的光场与二维材料相互作用[1-2]。实验上，实现了石墨烯对PPC微腔共振光场大于90%的吸收率；利用微腔增强的拉曼散射定量获得了石墨烯上G和2D带的偏振依赖关系；建立了光学腔共振模与石墨烯耦合的理论模型，揭示了调控耦合强度的规律，并准确解释了实验结果。基于上述PPC微腔中光与石墨烯的强烈耦合，进一步设计并制备了高性能的石墨烯光电器件，包括：在PPC微腔上集成石墨烯场效应管，对共振光场实现了10dB消光比和2nm波长移动的高调制度调控[3]；设计并制备了基于PPC微腔的双层石墨烯门控调制器，实现了高于1.2GHz的响应速度[4]；在PPC微腔上集成石墨烯探测器，实现了宽谱带（1530-1540nm）增强（25倍）的响应率[5]。为解决PPC微腔上石墨烯探测器的窄带特性，进一步在SOI单模波导上集成石墨烯光电探测器，实现了响应率高达0.1 A/W，响应速度高于20 GHz，且在波长范围1450-1590nm内表现出平坦的宽带响应[6]。以上结果表明，将二维材料与PPC微腔相集成，不仅有利于增强其光学响应，而且可以研究波长尺度的材料性质，并支持紧凑、高能效及超快光电器件的制备。

[1]. X. Gan, K. F. Mak, Y. Gao, et al. Nano Lett. 12, 5626 (2012).

[2]. X. Gan, Y. Gao, K. F. Mak, et al. Appl. Phys. Lett. 103, 181119 (2013).

[3]. X. Gan, R. Shiue, Y. Gao, et al. Nano Lett. 13, 691 (2013).

[4]. X. Gan, R. Shiue, et al. IEEE, J. Sele. Top. Quant. Electron. 20, 6000311 (2014).

[5]. R. Shiue, X. Gan, Y. Gao et al. Appl. Phys. Lett. 103, 241109 (2013).

[6]. X. Gan, R. Shiue, Y. Gao, et al. Nature Photon. 7, 883 (2013).

报告人简介：

甘雪涛，博士，2013年毕业于西北工业大学，获光学工程专业博士学位。2010年10月至2012年11月在美国哥伦比亚大学电子工程系Dirk Englund教授（现就职于MIT）组从事博士联合培养研究工作。现为西北工业大学理学院副教授。主要研究方向是：二维层状材料中的光子学、纳米光子学以及光子晶体等。甘博士成功将石墨烯光电子学与纳米光子学相结合，取得了一系列重要科研成果。相关论文包括：《Nature Photonics》1篇(被《Nature》、《Nature Photonics》以及多家科学新闻网站作专题评论和报道10余次)，《Nano Letters》2篇（均被Nanotechweb.org新闻网站作专题报道）,《IEEE Journal of Selected Topic of Quantum Electronics》1篇（特邀综述论文），《Scientific Reports》1篇，《Applied Physics Letters》2篇（其中1篇被《Nature Photonics》作专题评论）等。