【摘要】：呈原子層厚度的碳六邊形結(jié)構(gòu)的二維材料石墨烯具有極強(qiáng)的韌性,可輕易的包裹在光學(xué)器件的表面,因而其應(yīng)用范圍可擴(kuò)大至功能化的光電子器件結(jié)構(gòu)。石墨烯還具有呈現(xiàn)線性色散的能帶結(jié)構(gòu),具有極強(qiáng)的載流子帶間躍遷功能,因此其可以在非常寬的光譜范圍中實(shí)現(xiàn)光和物質(zhì)產(chǎn)生作用。電光調(diào)制由于在發(fā)射端和接收端存在電-光-電的轉(zhuǎn)換,因此存在兼容性差,調(diào)制速率低的電子瓶頸等問(wèn)題,若改用全光調(diào)制原理,將可以減少冗余的電路造成的負(fù)面影響,大大提升調(diào)制速率。氧化硅材質(zhì)雙倒錐型微納光纖是從標(biāo)準(zhǔn)尺度的單模通信光纖中經(jīng)由熔融拉錐的方式直接制得,光在微納光纖錐區(qū)的這種傳輸?shù)男问椒Q為倏逝場(chǎng),此傳輸形式能輕松的在微納光纖的錐區(qū)表面處實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的相互作用,同時(shí)將微納結(jié)構(gòu)中的調(diào)制信號(hào)和現(xiàn)普遍使用的通訊光纖體系有效耦合。出于對(duì)以上背景的考慮,本論文提出對(duì)石墨烯微納光纖復(fù)合波導(dǎo)的全光調(diào)制器研究。利用微納光纖中傳輸光具有的強(qiáng)倏逝場(chǎng),我們將石墨烯薄膜鋪設(shè)在微納光纖表面制備出復(fù)合波導(dǎo)從而實(shí)現(xiàn)光與石墨烯的相互作用。文中系統(tǒng)地探討了基于石墨烯微納光纖復(fù)合波導(dǎo)的全光調(diào)制器的制備。我們首先研究了微納光纖在通光時(shí)的光傳輸特性、現(xiàn)有微納光纖制造方法和本文中所用到的微納光纖的制備方法。其次,研究了石墨烯薄膜的制備、刻蝕、轉(zhuǎn)移到微納光纖表面等方法,在此基礎(chǔ)上詳細(xì)探討了本文所用調(diào)制器的制備方法。在此基礎(chǔ)上介紹了偏振相關(guān)特性在此復(fù)合波導(dǎo)的全光調(diào)制研究中的應(yīng)用,我們先介紹了石墨烯全光調(diào)制的工作原理,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)波導(dǎo)在通入不同偏振態(tài)光的情況下的模場(chǎng)分布及光與石墨烯相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬,并且搭建偏振相關(guān)的全光調(diào)制系統(tǒng)且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,結(jié)果顯示出很好的全光強(qiáng)度調(diào)制效果,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光最高20.86 dB的調(diào)制深度。最后,通過(guò)機(jī)械斬波器對(duì)泵浦光進(jìn)行斬波,對(duì)全光調(diào)制的時(shí)間特性進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)光5.13 KHz的調(diào)制速率。第四章中,我們對(duì)微納光纖直徑和石墨烯薄膜覆蓋方式相關(guān)的全光強(qiáng)度調(diào)制進(jìn)行了研究,經(jīng)由對(duì)具備不同直徑的微納光纖波導(dǎo)的模場(chǎng)分布實(shí)行數(shù)值模擬,并依據(jù)模擬效果進(jìn)行了對(duì)不同直徑波導(dǎo)、鋪設(shè)不同層石墨烯薄膜數(shù)量的波導(dǎo)、貼附不同長(zhǎng)度石墨烯薄膜的波導(dǎo)依次進(jìn)行的全光調(diào)制的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并對(duì)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)不同參量波導(dǎo)的調(diào)制特性進(jìn)行了探討。總的來(lái)說(shuō),本文對(duì)基于石墨烯微納光纖復(fù)合波導(dǎo)的全光調(diào)制器從原理、制備流程、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、性能等方面進(jìn)行了深入研究,實(shí)現(xiàn)了光纖光學(xué)與石墨烯光子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合,也為光信息處理的后期實(shí)際應(yīng)用提出了新的解決方案。
【圖文】：

２．３％［ｕ］，透過(guò)率高達(dá)９９．７％。并且隨著石墨烯層數(shù)的增加，由于層間耦合比較弱，多層逡逑石墨烯可視為單層石墨稀進(jìn)行堆疊，使其對(duì)光的吸收率與層數(shù)呈線性的增強(qiáng)關(guān)系［１２］。逡逑石墨烯的電學(xué)特性表現(xiàn)在其具有特洙的電丫？能帶結(jié)構(gòu)，如圖１．２所示，導(dǎo)帶和價(jià)帶逡逑的接觸點(diǎn)僅有六個(gè)，位于費(fèi)米面上的狄拉克點(diǎn)，接觸點(diǎn)位置的電子態(tài)密度為零，從而可逡逑以看作是零帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體或者無(wú)費(fèi)米面的金屬，看上去幾乎為透明的，咖這種零帶逡逑隙結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯很多獨(dú)特的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)，比如石墨烯在很寬的光沾１１；丨內(nèi)可以逡逑實(shí)現(xiàn)寬帶的單層２．３％的光學(xué)吸收。石墨烯在少層厚度范圍內(nèi)，其每增加一ｋ哼度，吸逡逑收率則增加２．３％。優(yōu)異的光學(xué)特性在大面積的石墨烯薄膜屮丨寸樣具備，Ｒ其光學(xué)特性逡逑與石墨烯厚度變化呈現(xiàn)相關(guān)性。石墨烯此種不尋常的低能態(tài)電了－結(jié)構(gòu)，足空穴和電了－的逡逑錐形帶相遇在狄拉克點(diǎn)的結(jié)果。逡逑３逡逑

高達(dá)５３００Ｗ／ｍ＊ｋ，為常用良好導(dǎo)熱材料銅的十倍之多，從而石墨烯可以被用作熱界面逡逑材料。逡逑圖１．１石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖。石墨烯呈現(xiàn)類蜂窩狀二維單原子層結(jié)構(gòu)。逡逑其光學(xué)特性表現(xiàn)為單層石墨烯在寬光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出均一的吸收系數(shù)，約為逡逑２．３％［ｕ］，透過(guò)率高達(dá)９９．７％。并且隨著石墨烯層數(shù)的增加，由于層間耦合比較弱，多層逡逑石墨烯可視為單層石墨稀進(jìn)行堆疊，使其對(duì)光的吸收率與層數(shù)呈線性的增強(qiáng)關(guān)系［１２］。逡逑石墨烯的電學(xué)特性表現(xiàn)在其具有特洙的電丫？能帶結(jié)構(gòu)，如圖１．２所示，導(dǎo)帶和價(jià)帶逡逑的接觸點(diǎn)僅有六個(gè)，位于費(fèi)米面上的狄拉克點(diǎn)，接觸點(diǎn)位置的電子態(tài)密度為零，從而可逡逑以看作是零帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體或者無(wú)費(fèi)米面的金屬，看上去幾乎為透明的，咖這種零帶逡逑隙結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯很多獨(dú)特的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)，比如石墨烯在很寬的光沾１１；丨內(nèi)可以逡逑實(shí)現(xiàn)寬帶的單層２．３％的光學(xué)吸收。石墨烯在少層厚度范圍內(nèi)
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN25;TN761

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本文編號(hào)：2651616