基于石墨烯薄膜的微纳全光纤调制器的研究

发布时间：2020-04-02 23:12

【摘要】：光调制器是高速光通信系统中非常重要的光器件,如何获得与光纤系统兼容性好、微型化、高速率、低损耗的光调制器是目前光通信领域的研究热点之一。石墨烯由于其独特的狄拉克能带结构以及极强的载流子带间跃迁能力,能与光实现超快的相互作用,非常适用于超快光调制器件。具有亚波长直径的微纳光纤由于表面存在强烈的倏势场,便于与其表面物质相互作用,同时与标准光纤系统具有良好的兼容性。本文将石墨烯和微纳光纤相结合,提出了一种基于双D型结构石墨烯微纳全光纤调制器,并对器件结构进行了优化,研究了调制器的调制特性。本文主要研究工作如下:(1)综述了微纳光纤、石墨烯、以及石墨烯光纤调制器的研究现状；理论分析了微纳光纤的单模传输条件、电场分布以及能量分布;介绍了石墨烯的能带结构以及优异的电光特性。(2)研究了石墨烯光调制器的工作原理,根据石墨烯表面电导率公式,分析了石墨烯表面电导率、介电常数、折射率与其化学势的关系,以及外加驱动电压对其化学势的影响。对石墨烯微纳光纤调制器波导参数进行仿真分析,掌握了微纳光纤不同结构、不同尺寸、石墨烯层数、石墨烯化学势对模式有效折射率以及功率损耗的影响。当双D型微纳光纤结构的磨切深度为21Onm,磨切表面涂覆两层石墨烯薄膜时,调制器的性能达到最优。(3)设计了一种基于双D型结构石墨烯微纳全光纤调制器。双D型结构微纳光纤的上下表面各涂覆两层石墨烯薄膜,且两层石墨烯之间用A1203垫片隔开。通过石墨烯与双D型结构微纳光纤表面强烈的倏势场的相互作用,实现了调制电压仅为2.35V,149.896～182.756THz频率范围内达90%的高深度电光调制;以及182.756～350THz频率范围内3dB可调制带宽达177.36THz的超宽带电光调制。该调制器具有与光纤系统兼容、结构简单、集成度高且调制带宽大的优势。
【图文】：

微纳光纤耦合器，利用微纳光纤表面具有强烈P势场可实现亚波长尺寸内的逡逑近场相互作用的特点，实现较高的耦合效率，包括微纳光纤与其他微波导耦合以逡逑及微纳光纤与微纳光纤耦合两种主要实现方式，如图１．１（ａ）、（ｂ）所示。其中，利用逡逑两根微纳光纤的相互耦合作用制作而成的光纤耦合器成本低，简单易行，通过将逡逑两根微纳光纤相互靠的较近时，就可以实现能量的相互交换。２００６年，浙江大学逡逑的童利民等将两根直径分别为４５０ｎｍ和３５０ｎｍ的碲酸盐微纳光纤设计成了邋３ｄＢ的逡逑Ｘ型分支耦合器［１５］，置于二氧化硅衬底之上，该耦合器中间的重叠耦合区域约为逡逑２ｕｍ左右。当波长为６３３ｎｍ的光从其中一根微纳光纤输入，经过两根光纤的重叠逡逑耦合区域后，光场在耦合区域几乎无散射损耗，以１：１的能量分布从两根微纳光纤逡逑中输出，实现输入光的分束效应，因此可作为光纤耦合器使用。２００９年，Ｇｕｏ等逡逑人提出一种金属－介质微纳光纤复合型耦合器［２１］，当输入波长为６５０ｎｍ的激光时，逡逑通过近场耦合拉锥后的光纤与半径为１２０ｍｎ的Ａｇ纳米线及半径为１３５ｎｍ的ＺｎＯ逡逑纳米线

逑年，浙江大学的童利民等人利用直径为９５０ｎｍ的微纳光纤打结制成结直径为逡逑．ｊｇ值高达５７０００的共振环，如图１．２所示。由于拉锥后光纤表面P势场的逡逑存在，当光通过光纤结时会一部分沿着原来的路径继续传输，另一部分会被直接逡逑耦合至结附近的光纤输出端，适当地改变共振环的大小可以调节光谱的范围［２８］，逡逑这种结构型谐振腔相比于以上提出的圈型结构更加稳定，而且结的半径也灵活可逡逑调。逡逑0逡逑输入光逦Ｗ逦ｆ禹合区逦ｊｊ逡逑逦ｙ＼、逦输出光逡逑图１．２微纳光纤谐振腔示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ邋ｒｅｓｏｎａｔｏｒ逡逑ＭｇＦ２邋基底邋ｙ／＼逡逑NB邋微纳光纤逦ｃｏｕｐｌｅｒ逦／．邋／逡逑＿邋／邋／／逡逑ｒｚ＿ｒ＾逦＾逡逑图１．３基于微纳光纤的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ逡逑利用微纳光纤还可以方便地制备出小尺寸、灵活度高的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪逡逑［２９］。２００８年，Ｌｉ等人提出了一种整体尺寸约为１００｜ｉｍ的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ调制器，逡逑输入宽带光源时，，可实现１０ｄＢ的消光比［３（）］。如图１－３所示，他们将两根微纳光纤逡逑置于ＭｇＦ２衬底上，改变两根微纳光纤的位置使其两端贴合而中间相互分离，形成逡逑两个３ｄＢ壀合器得到微纳光纤Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉结构，通过改变干涉仪两臂间的逡逑光程差
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN761

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 伍晓芹;王依霈;童利民;;微纳光纤及其应用[J];物理;2015年06期

2 毕卫红;王晓愚;付广伟;王圆圆;;基于石墨烯的光调制器研究进展[J];燕山大学学报;2015年03期

3 姜娟;黄婷;钟敏霖;叶晓慧;林哲;龙江游;李琳;;激光与石墨烯相互作用的研究现状及发展趋势[J];中国激光;2013年02期

4 饶云江;陈一槐;吴宇;邓强;;微光纤环形谐振腔温度传感器[J];电子科技大学学报;2012年03期

5 庄须叶;吴一辉;王淑荣;宣明;;新结构D形光纤消逝场传感器[J];光学精密工程;2008年10期

6 李国哲,于清旭;基于光纤受抑全内反射原理的高精度液位传感器研究[J];仪表技术与传感器;2004年02期

7 廖延彪;光纤传感物理及其应用[J];物理;1991年04期

相关博士学位论文 前2条

1 陈明;高速光通信全光关键技术研究[D];北京交通大学;2014年

2 李威;基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究[D];浙江大学;2014年

相关硕士学位论文 前4条

1 刘沫;石墨烯—D型光纤混合波导光调制特性和制备工艺研究[D];电子科技大学;2016年

2 李婷婷;石墨烯电吸收调制器的基础研究[D];电子科技大学;2015年

3 曾照凤;金属氯化物调节石墨烯光电学性质的研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

4 陈一槐;基于微纳光纤环形谐振腔的理论研究[D];电子科技大学;2010年

本文编号：2612564