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基于石墨烯新材料的全光纤调制器件研究

周锋  
【摘要】:光通信技术在最近几十年间取得了巨大的进步,也与我们的生活息息相关。而光通信中光电器件的设计尤为重要,伴随着光通信技术的巨大进步,光电器件的性能也被赋予了越来越高的要求。目前光电器件普遍存在着尺寸较大、带宽较窄、速度较慢等等亟待改善的问题。特别是调制器,随着高速通信的飞速发展,对更高带宽,更小半波电压以及更小的尺寸的调制器提出要求,基于新材料的调制器成为人们研究的热点。因此本文将二维新材料石墨烯和传统的光电器件相结合,并利用全光纤结构共同设计光电器件,结合了新材料石墨烯优越的光学性能和全光纤结构在未来全光纤光通信中应用的潜力,探索了具有高性能的光电器件。本论文对基于新材料石墨烯的全光纤器件进行了较为深入的研究。首先探究了石墨烯光电器件的理论模型以及基于石墨烯的波导调制器和偏振控制器,并且对基于石墨烯结构的调制器的原理进行了完整深入的理论分析。在此基础上,本论文对现有的波导结构做出了改进.提出了两种全光纤结构的石墨烯相位调制器和石墨烯吸收调制器,并进行了仿真和实验分析。除此之外,受全光纤调制器的启发,本论文又提出了一种全光纤石墨烯可调偏振控制器,并进行了理论和仿真验证,提出的偏振控制器具有大的消光比,宽的工作范围和在一定范围不受温度影响等优势,并且第一次实现了光纤上的偏振态可调。本论文主要的工作和创新点如下1. 针对传统光调制器存在的诸如调制带宽不够高,调制效率低和无法更好地光集成等问题,总结了新材料石墨烯应用在光调制器的研究,对石墨烯的光学特性和波导特性做了深入的理论分析,并提出了一些之前研究的不足,特别是文章中详细分析比较了石墨烯作为各向异性和各向同性介质时数值计算的不同,文章将石墨烯作为各向异性来考虑,更正了之前大多数石墨烯调制器研究中将石墨烯作为一种各向同性介质的考虑,使之更接近于实际情况。2. 将新材料石墨烯和全光纤结构相结合,提出全光纤结构的石墨烯电光调制器,分别利用有效折射率的实部和虚部变化实现了相位调制器和吸收调制器并用数值仿真和理论数理方法对其进行了分析和计算。运用两种基于不同工作原理的电磁波仿真软件Comsol和FDTD分别进行了二维和三维仿真,来验证结果的正确性。同时结合数理分析方法,验证了仿真的正确性。并且第一次发现了在一定的化学势范围内,相位和化学势之间的准线性关系以及相位和外加电压之间的准二次平方关系。同时提出的利用石墨烯结构有效折射率的虚部变化来实现的电吸收调制器,相较传统的三五族电吸收调制器具有可实现高消光比、小尺寸等多种优势。3.实验上论证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性,实验包含结构方案的确定、石墨烯的制备和转移以及电极的设计等全部加工过程,通过搭建一个完整的微波光子链路,实现了100 MHz信号的调制,并对实验结果进行了分析,主要分析了该调制器设计中存在的一些问题以及调制带宽不高的原因,并提出了实验的后续优化方案。4. 本论文提出了一种石墨烯全光纤结构的可调偏振控制器,该方案将石墨烯均匀生长在光纤的表面,通过改变不同方向上石墨烯的外加电压,获得水平方向偏振态通或者垂直方向偏振态通的偏振控制器,从而在一个光器件上实现了偏振可调。利用新材料石墨烯,设计了一种全光纤结构的偏振态可调偏振控制器。同时该偏振控制器具有大的消光比,宽的工作范围和在一定范围不受温度影响等优势。本论文主要对新材料石墨烯全光纤调制器件进行了研究,提出了两种全光纤石墨烯调制器和一种全光纤石墨烯可调偏振控制器。本论文采用了理论建模分析、仿真数值计算、实验设计验证和结果分析等研究方法,并取得了一定的成果,但由于实验条件的限制,部分方案还只停留在仿真结果上,有待后续实验的进一步验证。


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