基于石墨烯新材料的全光纖調(diào)制器件研究.pdf

1、光通信技術(shù)在最近幾十年間取得了巨大的進步，也與我們的生活息息相關(guān)。而光通信中光電器件的設(shè)計尤為重要，伴隨著光通信技術(shù)的巨大進步，光電器件的性能也被賦予了越來越高的要求。目前光電器件普遍存在著尺寸較大、帶寬較窄、速度較慢等等亟待改善的問題。特別是調(diào)制器，隨著高速通信的飛速發(fā)展，對更高帶寬，更小半波電壓以及更小的尺寸的調(diào)制器提出要求，基于新材料的調(diào)制器成為人們研究的熱點。因此本文將二維新材料石墨烯和傳統(tǒng)的光電器件相結(jié)合,并利用全光纖結(jié)構(gòu)共同

2、設(shè)計光電器件，結(jié)合了新材料石墨烯優(yōu)越的光學(xué)性能和全光纖結(jié)構(gòu)在未來全光纖光通信中應(yīng)用的潛力，探索了具有高性能的光電器件。
　　本論文對基于新材料石墨烯的全光纖器件進行了較為深入的研究。首先探究了石墨烯光電器件的理論模型以及基于石墨烯的波導(dǎo)調(diào)制器和偏振控制器，并且對基于石墨烯結(jié)構(gòu)的調(diào)制器的原理進行了完整深入的理論分析。在此基礎(chǔ)上，本論文對現(xiàn)有的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)做出了改進，提出了兩種全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯相位調(diào)制器和石墨烯吸收調(diào)制器，并進行了仿真和

3、實驗分析。除此之外，受全光纖調(diào)制器的啟發(fā)，本論文又提出了一種全光纖石墨烯可調(diào)偏振控制器，并進行了理論和仿真驗證，提出的偏振控制器具有大的消光比，寬的工作范圍和在一定范圍不受溫度影響等優(yōu)勢，并且第一次實現(xiàn)了光纖上的偏振態(tài)可調(diào)。本論文主要的工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.針對傳統(tǒng)光調(diào)制器存在的諸如調(diào)制帶寬不夠高，調(diào)制效率低和無法更好地光集成等問題，總結(jié)了新材料石墨烯應(yīng)用在光調(diào)制器的研究，對石墨烯的光學(xué)特性和波導(dǎo)特性做了深入的理論分析，并提

4、出了一些之前研究的不足，特別是文章中詳細分析比較了石墨烯作為各向異性和各向同性介質(zhì)時數(shù)值計算的不同，文章將石墨烯作為各向異性來考慮，更正了之前大多數(shù)石墨烯調(diào)制器研究中將石墨烯作為一種各向同性介質(zhì)的考慮，使之更接近于實際情況。
　　2.將新材料石墨烯和全光纖結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯電光調(diào)制器，分別利用有效折射率的實部和虛部變化實現(xiàn)了相位調(diào)制器和吸收調(diào)制器，并用數(shù)值仿真和理論數(shù)理方法對其進行了分析和計算。運用兩種基于不同工作

5、原理的電磁波仿真軟件Comsol和FDTD分別進行了二維和三維仿真，來驗證結(jié)果的正確性。同時結(jié)合數(shù)理分析方法，驗證了仿真的正確性。并且第一次發(fā)現(xiàn)了在一定的化學(xué)勢范圍內(nèi)，相位和化學(xué)勢之間的準(zhǔn)線性關(guān)系以及相位和外加電壓之間的準(zhǔn)二次平方關(guān)系。同時提出的利用石墨烯結(jié)構(gòu)有效折射率的虛部變化來實現(xiàn)的電吸收調(diào)制器，相較傳統(tǒng)的三五族電吸收調(diào)制器具有可實現(xiàn)高消光比、小尺寸等多種優(yōu)勢。
　　3.實驗上論證了提出的全光纖石墨烯調(diào)制器的可行性，實驗包含結(jié)

6、構(gòu)方案的確定、石墨烯的制備和轉(zhuǎn)移以及電極的設(shè)計等全部加工過程，通過搭建一個完整的微波光子鏈路，實現(xiàn)了100MHz信號的調(diào)制，并對實驗結(jié)果進行了分析，主要分析了該調(diào)制器設(shè)計中存在的一些問題以及調(diào)制帶寬不高的原因，并提出了實驗的后續(xù)優(yōu)化方案。
　　4.本論文提出了一種石墨烯全光纖結(jié)構(gòu)的可調(diào)偏振控制器，該方案將石墨烯均勻生長在光纖的表面，通過改變不同方向上石墨烯的外加電壓，獲得水平方向偏振態(tài)通或者垂直方向偏振態(tài)通的偏振控制器，從而在一個

7、光器件上實現(xiàn)了偏振可調(diào)。利用新材料石墨烯，設(shè)計了一種全光纖結(jié)構(gòu)的偏振態(tài)可調(diào)偏振控制器。同時該偏振控制器具有大的消光比，寬的工作范圍和在一定范圍不受溫度影響等優(yōu)勢。
　　本論文主要對新材料石墨烯全光纖調(diào)制器件進行了研究，提出了兩種全光纖石墨烯調(diào)制器和一種全光纖石墨烯可調(diào)偏振控制器。本論文采用了理論建模分析、仿真數(shù)值計算、實驗設(shè)計驗證和結(jié)果分析等研究方法，并取得了一定的成果，但由于實驗條件的限制，部分方案還只停留在仿真結(jié)果上，有待后續(xù)