硅材料电光效应的研究

论文摘要

首次研究了以（111）面为衬底硅材料,金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属（MISIM）结构的样品,在外加直流电场作用下,硅材料在1.3μm波长处基于克尔效应和弗朗兹-凯尔迪什效应的电致双折射,并由克尔效应计算出三阶非线性极化率张量χ（3）的分量χ3xyyx。在实验上直接观察到了由Franz-Keldysh效应引起折射率的变化,并且发现它和入射光的偏振态有关。测得了由克尔效应引起的折射率之差为Δn = 5.49×10-16E02,而弗朗兹-凯尔迪什效应引起的折射率之差为Δn’ = 2.42×10-16E02.5。首次在理论上和实验上证实了场致线性电光效应的存在,选用（111）面半绝缘硅材料为衬底,设计金属-绝缘体-半导体（MIS）结构的样品,选用改进的塞纳蒙补偿器设计横向电光调制器,测得输出电光信号与外加交流调制电压的成线性关系。并用MIS结构的样品,当光沿[1（1|-）0]方向入射时,观察到了光整流信号的各向异性。这些研究结果证明表面电场破坏了硅材料的对称性,从而产生场致线性电光效应。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 电光效应概述
• 1.2 硅材料的等离子体色散效应及应用
• 1.2.1 等离子体色散效应
• 1.2.2 基于等离子体色散效应的硅电光调制器件
• 1.3 硅材料中应力所致的线性电光效应
• 1.4 场致线性电光效应研究的意义
• 1.4.1 破坏材料对称性的方法
• 1.4.2 研究场致线性电光效应的意义
• 1.4.3 开展硅材料其他电光效应研究的必要性
• 1.5 本论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 电光效应的基本理论
• 2.1 光波在介质中传播的基本方程
• 2.1.1 光波在晶体中传播特性的解析法描述
• 2.1.2 光波在晶体中传播特性的几何法描述
• 2.2 线性电光效应
• 2.3 电光KERR 效应
• 2.4 FRANZ-KELDYSH效应
• 2.4.1 半导体材料在匀强电场作用下的吸收系数
• 2.4.2 色散关系
• 2.4.3 硅材料中场致折射率的改变
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 硅材料直流电场作用下电致双折射的研究
• 3.1 引言
• 3.2 硅的晶体结构和性质
• 3.3 [111]方向直流电场诱导电致双折射的基本理论
• 3.3.1 硅材料克尔效应
• 3.3.2 硅的Franz-Keldysh 效应
• 3.4 电致双折射的测量
• 3.4.1 塞纳蒙补偿器基本原理
• 3.4.2 实验样品结构
• 3.4.3 实验光路
• 3.4.4 实验结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 硅材料场致线性电光效应的研究
• 4.1 硅材料中场致线性电光效应的基本理论
• 4.2 等效二阶极化率张量
• 4.2.1 等效二阶极化率张量定义
• 4.2.2 直流电场沿[001]晶向时硅材料的对称性
• ）1]晶向时硅材料的对称性'>4.2.3 直流电场沿[0（1|_）1]晶向时硅材料的对称性
• 4.2.4 直流电场沿[111]晶向时硅材料的对称性
• 4.2.5 讨论
• 4.3 电光张量的具体形式
• 4.4 沿不同方向加电场硅材料场致线性电光效应的研究
• 4.4.1 [001]方向电场诱导的场致线性电光效应
• 4.4.2 [0（1|-）1]方向电场诱导的场致线性电光效应
• 4.4.3 [111] 方向电场诱导的场致线性电光效应
• 4.5 硅材料场致线性电光效应的实验研究
• 4.5.1 样品结构
• 4.5.2 实验光路及结果
• 4.6 硅材料光整流现象的实验研究
• 4.6.1 光整流的基本理论
• 4.6.2 硅材料[111]方向电场诱导的光整流原理
• 4.6.3 硅材料[111]方向电场诱导的光整流实验
• 4.7 小结
• 参考文献
• 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果
• 摘要
• ABSTRACT