基于D型光纤的石墨烯高速电光调制器的研究

发布时间：2020-06-22 14:18

【摘要】：随着信息时代的迅速发展,人们对于通信带宽和速度的要求越来越高。通信容量的增加对光通信系统中各器件的性能提出了更高的要求。光调制器是光通信系统中必不可少的器件之一,研究出大消光比,宽带宽的新型电光调制器至关重要。石墨烯具有饱和吸收、超高的载流子迁移率以及超宽的光谱吸收范围等卓越特性,采用石墨烯作为调制器的电光材料,有利于提高调制器的速率及调制深度。D型光纤因纤芯距离外界表面较近,光纤表面具有较强的倏逝场,在D型光纤表面涂覆电光材料时,电光材料可与光进行充分作用,从而大幅度提高调制器的调制效率。与普通D型石墨烯电光调制器相比,级联结构的电光调制器,参数灵活可调,本文结合D型光纤和石墨烯的优势,利用D型光纤的倏逝场特性,提出了一种基于级联结构的D型光纤的石墨烯高速电光调制器并研究基本特性。本文主要研究内容如下:(1)针对石墨烯特殊的电光特性,根据库伯公式对石墨烯的电导率、介电常数、折射率进行了公式推导,并分别对石墨烯的电导率、介电常数、折射率及外加电压与其化学势的关系进行了研究。(2)对基于D型光纤的单层石墨烯电光调制器进行了分析。首先,对调制器的波导结构进行了优化,研究表明选取剩余包层厚度为0.5μm,纤芯半径为3μm,纤芯包层折射率差选择为0.004时,调制器有较好的性能。其次,通过改变石墨烯的化学势,对调制原理进行了验证。最后,对调制器的调制性能进行了分析,计算该单层石墨烯电光调制器的消光比为6.56dB,调制深度为0.033dB/μm。(3)提出了一种基于级联D型光纤的石墨烯电光调制器,有效克服单层石墨烯电光调制器调制深度低的问题。首先,对调制器的结构进行了验证,当D型光纤表面涂覆双层石墨烯时,器件消光比为18dB,调制深度为0.09dB/μm,3dB带宽为18GHz。其次,分析了基于级联结构的D型光纤的石墨烯电光调制器性能,研究了两段光纤中的石墨烯在不同化学势下以及涂覆层数不同时,电光调制器的基本特性。得出当最大调制深度为0.23dB/μm时,所需最大驱动电压分别为0.862V、0.942V。
【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
【图文】：

光调制器,环形结构,铌酸锂

臂的外加电压不一样时，两臂波导的折射率会发生改变，从而导致在两臂传输的逡逑光信号的相位不同。再经Ｍ－Ｚ的输出端合为一束光输出，因相位差的不同，两个逡逑支路的光在合为一路传输时进行相长或者相消，从而实现强度的调制。如图１－１逡逑是一种采用Ｍ－Ｚ结构的铌酸锂电光调制器，在１５５０ｎｍ波长下，实现了半波电压逡逑为５．１Ｖ时１００ＧＨｚ的调制带宽［７］。但是，铌酸锂材料具有比较大的介电常数，这逡逑会导致调制器的调制带宽和调制速率受到比较大的影响，其次铌酸锂这种材料制逡逑作调制器，其电光系数特性导致需要较高的驱动电压，造价昂贵，另外这种调制逡逑器由于体积比较大不利于集成。这些缺点使得铌酸锂调制器发展比较缓慢。逡逑＿１￣１＿逡逑Ｖ（ｔ）逦电极逦波导逡逑逦？逦／逦／逡逑ｉｉＮｂＯ，邋基底逦，／逡逑图Ｍ基于Ｍ－Ｚ结构的铌酸锂电光调制器逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－１邋ＬｉＮｂ０３邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑有机聚合物电光调制器利用聚合物的电光效应来进行光载波的调制。相对于逡逑采用无机材料具有很多优势，例如电光系数大，有利于降低半波电压；介电系数逡逑较低且无弥散

抛磨,光纤

纤中传输的能量对外界变化不敏感，要想使光纤中传输的光对外界环境变化敏感，逡逑需要使光场泄露到光纤的表面。Ｄ型光纤是通过外力加工将普通光纤一侧包层去逡逑掉一部分，使光纤横截面呈Ｄ型的一种波导结构，其横截面如图１－５所示。逡逑图１－５邋Ｄ型光纤截面逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｄ－ｓｈａｐｅ邋ｆｉｂｅｒ逡逑目前特殊光纤结构的加工方法日趋成熟，实验室主要采用机械研磨法、化学逡逑腐蚀法等制作Ｄ型光纤。化学腐蚀法是通过化学制剂对包层腐蚀，但这种方法制逡逑作出的Ｄ型光纤表面较粗糙不够平整。最常见的制作方法是机械研磨法，通过利逡逑用精度可控的研磨装置制备Ｄ型光纤，其优点是制作出的Ｄ型光纤表面较平整，逡逑且质量较高。下面介绍两种Ｄ型光纤的制作方法。逡逑首先介绍利用轮式抛磨法制作Ｄ型光纤，其优点在于工艺简单，且抛磨后Ｄ逡逑型光纤表面平坦，可多面抛磨，利于批量生产。抛磨的方法是将光纤悬空架在光逡逑纤固定架上，两边分别用光纤夹具将光纤固定，在另一端放置重力锤，同时可以逡逑通过调整重力锤改变砂轮和光纤的作用力［１

【参考文献】