【摘要】：隨著光信息傳輸與處理速度的高速發(fā)展,光纖器件微型化、集成化和低能耗化是光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。石墨烯具有超高的載流子遷移率,超快的弛豫過程,可調(diào)控的費(fèi)米能級(jí),還可以吸收很寬頻率范圍的入射光,非常適合于光纖器件的設(shè)計(jì)。本文提出了一種新穎的石墨烯-光纖復(fù)合結(jié)構(gòu),首次將石墨烯涂覆在空心光纖和光子晶體光纖的纖芯孔內(nèi)表面上,利用有限元法對(duì)該結(jié)構(gòu)的調(diào)制特性、濾波特性和偏振特性進(jìn)行了分析。本文的主要內(nèi)容如下:首先,結(jié)合通信技術(shù)的發(fā)展歷史,介紹了本課題的研究目的和意義,而且在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)基于石墨烯的光纖器件的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評(píng)述,總結(jié)了石墨烯和光纖的主要結(jié)合方式。其次,從石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)出發(fā),分析了石墨烯的線性光吸收和電光調(diào)制特性,并且介紹了分析光纖傳輸特性的解析方法和數(shù)值方法,重點(diǎn)介紹了本文所采用的有限元法,進(jìn)一步給出了仿真軟件的模擬過程。再次,設(shè)計(jì)了基于石墨烯涂覆空心光纖的調(diào)制器模型,利用有限元法研究了光纖的模場(chǎng)分布和電致吸收特性,同時(shí)研究了空氣孔半徑、石墨烯層數(shù)和緩沖層對(duì)調(diào)制器性能參數(shù)的影響。最后,設(shè)計(jì)了三種基于石墨烯涂覆光子晶體光纖的器件模型:第一種將石墨烯涂覆在圓形纖芯孔內(nèi)表面上構(gòu)成電吸收型調(diào)制器,分析光纖損耗隨化學(xué)勢(shì)的變化規(guī)律,研究其調(diào)制特性;第二種將石墨烯涂覆在圓形纖芯孔內(nèi)表面上構(gòu)成帶阻濾波器,分析光纖損耗隨波長的變化規(guī)律,研究其濾波特性;第三種是將石墨烯涂覆在橢圓形纖芯孔內(nèi)表面上構(gòu)成偏振器,分析TE和TM模式的損耗隨化學(xué)勢(shì)的變化規(guī)律,研究其偏振特性。同時(shí)利用有限元法研究了光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)和石墨烯的材料參數(shù)對(duì)光纖器件性能參數(shù)的影響。
[Abstract]:With the rapid development of optical information transmission and processing speed, the miniaturization, integration and low energy consumption of optical fiber devices are the development trend of optical fiber communication technology. Graphene has high carrier mobility, ultra-fast relaxation process, adjustable Fermi energy level, and can absorb incident light in a wide frequency range, which is very suitable for the design of optical fiber devices. In this paper, a novel graphene fiber composite structure is proposed. Graphene is coated on the inner surface of the core hole of hollow fiber and photonic crystal fiber for the first time. The modulation characteristics of the structure are obtained by finite element method. The characteristics of filtering and polarization are analyzed. The main contents of this paper are as follows: firstly, according to the history of communication technology, this paper introduces the purpose and significance of this research, and on the basis of consulting a large number of domestic and foreign related literature, The research status of graphene based fiber devices is reviewed, and the main combination modes between graphene and fiber are summarized. Secondly, based on the energy band structure of graphene, the linear optical absorption and electro-optic modulation characteristics of graphene are analyzed, and the analytical and numerical methods for analyzing the transmission characteristics of optical fiber are introduced, with emphasis on the finite element method used in this paper. Furthermore, the simulation process of the simulation software is given. Thirdly, the modulator model based on graphene coated hollow fiber is designed. The mode field distribution and electroabsorption characteristics of the fiber are studied by finite element method, and the air orifice radius is also studied. The effect of graphene layer number and buffer layer on the performance parameters of modulator. Finally, three kinds of device models based on graphene coated photonic crystal fiber are designed. First, the graphene is coated on the inner surface of circular core hole to form an electric absorption modulator, and the variation of fiber loss with chemical potential is analyzed. The modulation characteristics are studied. Secondly, graphene is coated on the inner surface of circular core hole to form a bandstop filter. The variation of fiber loss with wavelength is analyzed, and the filter characteristics are studied. The third is to coat graphene on the inner surface of the elliptical core hole to form a polarizer. The variation of the loss of TE and TM modes with the chemical potential is analyzed and the polarization characteristics of the polarizer are studied. At the same time, the influence of fiber structure parameters and graphene material parameters on the performance parameters of fiber devices was studied by finite element method.
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN253

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本文編號(hào)：2325672