基于石墨烯新材料的全光纖調制器件研究.pdf

1、光通信技術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。而光通信中光電器件的設計尤為重要，伴隨著光通信技術的巨大進步，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制器提出要求，基于新材料的調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)的光電器件相結合,并利用全光纖結構共同

2、設計光電器件，結合了新材料石墨烯優(yōu)越的光學性能和全光纖結構在未來全光纖光通信中應用的潛力，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調制器和偏振控制器，并且對基于石墨烯結構的調制器的原理進行了完整深入的理論分析。在此基礎上，本論文對現(xiàn)有的波導結構做出了改進，提出了兩種全光纖結構的石墨烯相位調制器和石墨烯吸收調制器，并進行了仿真和

3、實驗分析。除此之外，受全光纖調制器的啟發(fā)，本論文又提出了一種全光纖石墨烯可調偏振控制器，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。本論文主要的工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.針對傳統(tǒng)光調制器存在的諸如調制帶寬不夠高，調制效率低和無法更好地光集成等問題，總結了新材料石墨烯應用在光調制器的研究，對石墨烯的光學特性和波導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)石墨烯調制器研究中將石墨烯作為一種各向同性介質的考慮，使之更接近于實際情況。
　　2.將新材料石墨烯和全光纖結構相結合，提出全光纖結構的石墨烯電光調制器，分別利用有效折射率的實部和虛部變化實現(xiàn)了相位調制器和吸收調制器，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，來驗證結果的正確性。同時結合數(shù)理分析方法，驗證了仿真的正確性。并且第一次發(fā)現(xiàn)了在一定的化學勢范圍內，相位和化學勢之間的準線性關系以及相位和外加電壓之間的準二次平方關系。同時提出的利用石墨烯結構有效折射率的虛部變化來實現(xiàn)的電吸收調制器，相較傳統(tǒng)的三五族電吸收調制器具有可實現(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制器的可行性，實驗包含結

6、構方案的確定、石墨烯的制備和轉移以及電極的設計等全部加工過程，通過搭建一個完整的微波光子鏈路，實現(xiàn)了100MHz信號的調制，并對實驗結果進行了分析，主要分析了該調制器設計中存在的一些問題以及調制帶寬不高的原因，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構的可調偏振控制器，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。利用新材料石墨烯，設計了一種全光纖結構的偏振態(tài)可調偏振控制器。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制器件進行了研究，提出了兩種全光纖石墨烯調制器和一種全光纖石墨烯可調偏振控制器。本論文采用了理論建模分析、仿真數(shù)值計算、實驗設計驗證和結果分析等研究方法，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果上，有待后續(xù)