石墨烯微纳光纤复合波导全光调制器件与特性

发布时间：2020-05-06 17:33

【摘要】：呈原子层厚度的碳六边形结构的二维材料石墨烯具有极强的韧性,可轻易的包裹在光学器件的表面,因而其应用范围可扩大至功能化的光电子器件结构。石墨烯还具有呈现线性色散的能带结构,具有极强的载流子带间跃迁功能,因此其可以在非常宽的光谱范围中实现光和物质产生作用。电光调制由于在发射端和接收端存在电-光-电的转换,因此存在兼容性差,调制速率低的电子瓶颈等问题,若改用全光调制原理,将可以减少冗余的电路造成的负面影响,大大提升调制速率。氧化硅材质双倒锥型微纳光纤是从标准尺度的单模通信光纤中经由熔融拉锥的方式直接制得,光在微纳光纤锥区的这种传输的形式称为倏逝场,此传输形式能轻松的在微纳光纤的锥区表面处实现光与物质的相互作用,同时将微纳结构中的调制信号和现普遍使用的通讯光纤体系有效耦合。出于对以上背景的考虑,本论文提出对石墨烯微纳光纤复合波导的全光调制器研究。利用微纳光纤中传输光具有的强倏逝场,我们将石墨烯薄膜铺设在微纳光纤表面制备出复合波导从而实现光与石墨烯的相互作用。文中系统地探讨了基于石墨烯微纳光纤复合波导的全光调制器的制备。我们首先研究了微纳光纤在通光时的光传输特性、现有微纳光纤制造方法和本文中所用到的微纳光纤的制备方法。其次,研究了石墨烯薄膜的制备、刻蚀、转移到微纳光纤表面等方法,在此基础上详细探讨了本文所用调制器的制备方法。在此基础上介绍了偏振相关特性在此复合波导的全光调制研究中的应用,我们先介绍了石墨烯全光调制的工作原理,并在此基础上通过对波导在通入不同偏振态光的情况下的模场分布及光与石墨烯相互作用进行了数值模拟,并且搭建偏振相关的全光调制系统且进行了实验测量,结果显示出很好的全光强度调制效果,实现对信号光最高20.86 dB的调制深度。最后,通过机械斩波器对泵浦光进行斩波,对全光调制的时间特性进行研究,实现了对信号光5.13 KHz的调制速率。第四章中,我们对微纳光纤直径和石墨烯薄膜覆盖方式相关的全光强度调制进行了研究,经由对具备不同直径的微纳光纤波导的模场分布实行数值模拟,并依据模拟效果进行了对不同直径波导、铺设不同层石墨烯薄膜数量的波导、贴附不同长度石墨烯薄膜的波导依次进行的全光调制的实验测试,并对实验得出结果进行对比分析,对不同参量波导的调制特性进行了探讨。总的来说,本文对基于石墨烯微纳光纤复合波导的全光调制器从原理、制备流程、实验测试、性能等方面进行了深入研究,实现了光纤光学与石墨烯光子学应用领域的结合,也为光信息处理的后期实际应用提出了新的解决方案。
【图文】：

石墨,结构示意图,狄拉克

２．３％［ｕ］，透过率高达９９．７％。并且随着石墨烯层数的增加，由于层间耦合比较弱，多层逡逑石墨烯可视为单层石墨稀进行堆叠，使其对光的吸收率与层数呈线性的增强关系［１２］。逡逑石墨烯的电学特性表现在其具有特洙的电丫？能带结构，如图１．２所示，导带和价带逡逑的接触点仅有六个，位于费米面上的狄拉克点，接触点位置的电子态密度为零，从而可逡逑以看作是零带隙结构的半导体或者无费米面的金属，看上去几乎为透明的，咖这种零带逡逑隙结构赋予了石墨烯很多独特的电学及光学性质，比如石墨烯在很宽的光沾１１；丨内可以逡逑实现宽带的单层２．３％的光学吸收。石墨烯在少层厚度范围内，其每增加一ｋ哼度，吸逡逑收率则增加２．３％。优异的光学特性在大面积的石墨烯薄膜屮丨寸样具备，Ｒ其光学特性逡逑与石墨烯厚度变化呈现相关性。石墨烯此种不寻常的低能态电了－结构，足空穴和电了－的逡逑锥形带相遇在狄拉克点的结果。逡逑３逡逑

示意图,石墨,能带结构,示意图

高达５３００Ｗ／ｍ＊ｋ，为常用良好导热材料铜的十倍之多，从而石墨烯可以被用作热界面逡逑材料。逡逑图１．１石墨烯的结构示意图。石墨烯呈现类蜂窝状二维单原子层结构。逡逑其光学特性表现为单层石墨烯在宽光谱范围内表现出均一的吸收系数，约为逡逑２．３％［ｕ］，透过率高达９９．７％。并且随着石墨烯层数的增加，由于层间耦合比较弱，多层逡逑石墨烯可视为单层石墨稀进行堆叠，使其对光的吸收率与层数呈线性的增强关系［１２］。逡逑石墨烯的电学特性表现在其具有特洙的电丫？能带结构，如图１．２所示，导带和价带逡逑的接触点仅有六个，位于费米面上的狄拉克点，接触点位置的电子态密度为零，从而可逡逑以看作是零带隙结构的半导体或者无费米面的金属，看上去几乎为透明的，咖这种零带逡逑隙结构赋予了石墨烯很多独特的电学及光学性质，比如石墨烯在很宽的光沾１１；丨内可以逡逑实现宽带的单层２．３％的光学吸收。石墨烯在少层厚度范围内
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN25;TN761

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