石墨烯全光调制器制作与光调制特性研究
发布时间：2021-08-27 07:14
光调制器是光子学和光电子学中一种必不可少的核心器件,被广泛应用于光互联、生物、医疗、环境监测和安全监测等领域。由于现有技术和新兴技术对高速、紧凑、宽带的光调制器要求越来越高,因此高性能的光调制解决方案变得至关重要。最近出现的二维层状材料石墨烯因为其优异的光电性能可以进行光调制,这促使人们对其进行了深入的研究并且取得了一定进展。针对目前光调制技术中存在的不足和空缺,本论文主要研究了石墨烯与波导结合的光调制器和石墨烯在空间光场中的光调制,具体工作如下:（1）研究了石墨烯覆盖微纳光纤（GMF）波导在被动调Q和全光振幅调制方面的特性。首先,采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）辅助转移化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜至微纳光纤的锥区。然后将GMF全光调制器作为可饱和吸收体置于1.5?m掺铒光纤激光器中实现了被动调Q。最后,搭建了一套980 nm泵浦光调制1550 nm信号光的全光调制系统,实现了最高50 k Hz的调制速率和3.82 d B的调制深度。（2）研究了还原氧化石墨烯沉积D型光纤（RGODF）波导在全光振幅调制方面的特性。首先,利用一种方便且可控的倏逝场诱导沉积的方法将还原氧化石墨烯覆盖在D型...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳材料的不同微观结构[25]
第一章绪论5外，石墨烯还是世界上已知最薄且最坚硬的纳米材料。在单层石墨烯中，导带和价带在狄拉克点相遇，形成零带隙能带结构[30]（图2），在费米面附近呈线性色散关系[31]，即22ffxyEkkk(1.1)其中，表示约化普朗克常量，f表示费米能量，k为波矢。石墨烯中的电子表现为无质量狄拉克费米子，具有禁止的后向散射[32]，并且在室温下表现出最高的迁移率。图2单层石墨烯的能带结构图[30]石墨烯独特的线性能量-动量色散关系，使得它可以工作在从可见到红外，甚至是太赫兹和微波区域的极宽光谱范围内。石墨烯对光的响应，可以通过光电导常数来计算。当石墨烯的化学势较小或费米面较低时，光电导常数被简化为20e2(1.2)由此可见光电导常数是与光波频率无关的常量。而该常量又与精细结构常数有关，即2ehc(1.3)结合(1.2)、(1.3)式，我们发现单层本征石墨烯的透过率与光波频率无关，是一个常量，20T12197.7%(1.4)当石墨烯为N层时，该公式也依旧成立，其透过率与层数满足，T1N(1.5)对于石墨烯在可见到红外的均一吸收性，在实验上也得到了证实。如图3所示，NairR.R.等人对石墨烯的光学透过率进行了研究[33]，当将单层、双层石墨烯同时覆盖在50m直径的孔径上时，通过与空气中对比，发现单层石墨烯对垂直入射光的吸收率为2.3%（图3(a)）；从图3(b)中可以发现，当层数增加至五层时，也符合均一
西北大学硕士学位论文6化的线性吸收。图3石墨烯的光学透过率[33]。(a)50m孔径的部分区域被单层以及双层石墨烯覆盖的光学图像；(b)单层石墨烯的透射光谱（空心圆），插图为白光透射率与石墨烯层数之间的函数石墨烯另一显著的光学特性是由载流子的泡利不相容原理引起的可饱和吸收特性。2010年，SunZ.P.等人使用脉冲宽度为580fs的超快激光器测得在六个不同波长下透射率与平均泵浦功率的关系图（图4）[34]。在相对较低的平均输入功率下，透过率系数几乎与泵浦功率无关。然而，当激光平均入射功率在中心波长1558nm处增加到5.35mW（对应于266MW/cm2的功率密度）时，可饱和吸收性透过率增加了1.3%，当然，如果持续增加泵浦功率，透过率的变化量也会相应增加。图4石墨烯材料的典型透射率与六个激发波长的平均泵浦功率之间的函数关系[34]为了更好的理解石墨烯可饱和吸收特性，需要从光生载流子的动态过程来分析。超快脉冲光的带间跃迁会在价带和导带中产生非平衡载流子（图5(a)）[10]，在时间分辨实验中，通常会看到两个弛豫时间尺度：发生在较快的一个时间过程（1100fs的时间内），通常与载流子之间的带内碰撞和声子辐射有关；而2在皮秒的时间尺度上，属于较慢的一个，对应于载流子和热声子间的碰撞以及电子空穴复合的冷却过
【参考文献】：
期刊论文
[1]新结构D形光纤消逝场传感器[J]. 庄须叶,吴一辉,王淑荣,宣明. 光学精密工程. 2008(10)
[2]高斯光束通过非线性介质后的远场衍射图样的研究[J]. 何坤娜,邓罗根. 强激光与粒子束. 2003(10)
博士论文
[1]石墨烯复合微纳光纤全光调制技术[D]. 虞绍良.浙江大学 2017
[2]微纳光纤制备及其全光调制器件研究[D]. 于洋.国防科学技术大学 2014
本文编号：3365913
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳材料的不同微观结构[25]
第一章绪论5外，石墨烯还是世界上已知最薄且最坚硬的纳米材料。在单层石墨烯中，导带和价带在狄拉克点相遇，形成零带隙能带结构[30]（图2），在费米面附近呈线性色散关系[31]，即22ffxyEkkk(1.1)其中，表示约化普朗克常量，f表示费米能量，k为波矢。石墨烯中的电子表现为无质量狄拉克费米子，具有禁止的后向散射[32]，并且在室温下表现出最高的迁移率。图2单层石墨烯的能带结构图[30]石墨烯独特的线性能量-动量色散关系，使得它可以工作在从可见到红外，甚至是太赫兹和微波区域的极宽光谱范围内。石墨烯对光的响应，可以通过光电导常数来计算。当石墨烯的化学势较小或费米面较低时，光电导常数被简化为20e2(1.2)由此可见光电导常数是与光波频率无关的常量。而该常量又与精细结构常数有关，即2ehc(1.3)结合(1.2)、(1.3)式，我们发现单层本征石墨烯的透过率与光波频率无关，是一个常量，20T12197.7%(1.4)当石墨烯为N层时，该公式也依旧成立，其透过率与层数满足，T1N(1.5)对于石墨烯在可见到红外的均一吸收性，在实验上也得到了证实。如图3所示，NairR.R.等人对石墨烯的光学透过率进行了研究[33]，当将单层、双层石墨烯同时覆盖在50m直径的孔径上时，通过与空气中对比，发现单层石墨烯对垂直入射光的吸收率为2.3%（图3(a)）；从图3(b)中可以发现，当层数增加至五层时，也符合均一
西北大学硕士学位论文6化的线性吸收。图3石墨烯的光学透过率[33]。(a)50m孔径的部分区域被单层以及双层石墨烯覆盖的光学图像；(b)单层石墨烯的透射光谱（空心圆），插图为白光透射率与石墨烯层数之间的函数石墨烯另一显著的光学特性是由载流子的泡利不相容原理引起的可饱和吸收特性。2010年，SunZ.P.等人使用脉冲宽度为580fs的超快激光器测得在六个不同波长下透射率与平均泵浦功率的关系图（图4）[34]。在相对较低的平均输入功率下，透过率系数几乎与泵浦功率无关。然而，当激光平均入射功率在中心波长1558nm处增加到5.35mW（对应于266MW/cm2的功率密度）时，可饱和吸收性透过率增加了1.3%，当然，如果持续增加泵浦功率，透过率的变化量也会相应增加。图4石墨烯材料的典型透射率与六个激发波长的平均泵浦功率之间的函数关系[34]为了更好的理解石墨烯可饱和吸收特性，需要从光生载流子的动态过程来分析。超快脉冲光的带间跃迁会在价带和导带中产生非平衡载流子（图5(a)）[10]，在时间分辨实验中，通常会看到两个弛豫时间尺度：发生在较快的一个时间过程（1100fs的时间内），通常与载流子之间的带内碰撞和声子辐射有关；而2在皮秒的时间尺度上，属于较慢的一个，对应于载流子和热声子间的碰撞以及电子空穴复合的冷却过
【参考文献】：
期刊论文
[1]新结构D形光纤消逝场传感器[J]. 庄须叶,吴一辉,王淑荣,宣明. 光学精密工程. 2008(10)
[2]高斯光束通过非线性介质后的远场衍射图样的研究[J]. 何坤娜,邓罗根. 强激光与粒子束. 2003(10)
博士论文
[1]石墨烯复合微纳光纤全光调制技术[D]. 虞绍良.浙江大学 2017
[2]微纳光纤制备及其全光调制器件研究[D]. 于洋.国防科学技术大学 2014
本文编号：3365913
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