【摘要】：光調(diào)制器是高速光通信系統(tǒng)中非常重要的光器件,如何獲得與光纖系統(tǒng)兼容性好、微型化、高速率、低損耗的光調(diào)制器是目前光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。石墨烯由于其獨(dú)特的狄拉克能帶結(jié)構(gòu)以及極強(qiáng)的載流子帶間躍遷能力,能與光實(shí)現(xiàn)超快的相互作用,非常適用于超快光調(diào)制器件。具有亞波長(zhǎng)直徑的微納光纖由于表面存在強(qiáng)烈的倏勢(shì)場(chǎng),便于與其表面物質(zhì)相互作用,同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性。本文將石墨烯和微納光纖相結(jié)合,提出了一種基于雙D型結(jié)構(gòu)石墨烯微納全光纖調(diào)制器,并對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,研究了調(diào)制器的調(diào)制特性。本文主要研究工作如下:(1)綜述了微納光纖、石墨烯、以及石墨烯光纖調(diào)制器的研究現(xiàn)狀；理論分析了微納光纖的單模傳輸條件、電場(chǎng)分布以及能量分布;介紹了石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的電光特性。(2)研究了石墨烯光調(diào)制器的工作原理,根據(jù)石墨烯表面電導(dǎo)率公式,分析了石墨烯表面電導(dǎo)率、介電常數(shù)、折射率與其化學(xué)勢(shì)的關(guān)系,以及外加驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)其化學(xué)勢(shì)的影響。對(duì)石墨烯微納光纖調(diào)制器波導(dǎo)參數(shù)進(jìn)行仿真分析,掌握了微納光纖不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸、石墨烯層數(shù)、石墨烯化學(xué)勢(shì)對(duì)模式有效折射率以及功率損耗的影響。當(dāng)雙D型微納光纖結(jié)構(gòu)的磨切深度為21Onm,磨切表面涂覆兩層石墨烯薄膜時(shí),調(diào)制器的性能達(dá)到最優(yōu)。(3)設(shè)計(jì)了一種基于雙D型結(jié)構(gòu)石墨烯微納全光纖調(diào)制器。雙D型結(jié)構(gòu)微納光纖的上下表面各涂覆兩層石墨烯薄膜,且兩層石墨烯之間用A1203墊片隔開。通過(guò)石墨烯與雙D型結(jié)構(gòu)微納光纖表面強(qiáng)烈的倏勢(shì)場(chǎng)的相互作用,實(shí)現(xiàn)了調(diào)制電壓僅為2.35V,149.896～182.756THz頻率范圍內(nèi)達(dá)90%的高深度電光調(diào)制;以及182.756～350THz頻率范圍內(nèi)3dB可調(diào)制帶寬達(dá)177.36THz的超寬帶電光調(diào)制。該調(diào)制器具有與光纖系統(tǒng)兼容、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高且調(diào)制帶寬大的優(yōu)勢(shì)。
【圖文】：

微納光纖耦合器，利用微納光纖表面具有強(qiáng)烈P勢(shì)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺寸內(nèi)的逡逑近場(chǎng)相互作用的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率，包括微納光纖與其他微波導(dǎo)耦合以逡逑及微納光纖與微納光纖耦合兩種主要實(shí)現(xiàn)方式，如圖１．１（ａ）、（ｂ）所示。其中，利用逡逑兩根微納光纖的相互耦合作用制作而成的光纖耦合器成本低，簡(jiǎn)單易行，通過(guò)將逡逑兩根微納光纖相互靠的較近時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)能量的相互交換。２００６年，浙江大學(xué)逡逑的童利民等將兩根直徑分別為４５０ｎｍ和３５０ｎｍ的碲酸鹽微納光纖設(shè)計(jì)成了邋３ｄＢ的逡逑Ｘ型分支耦合器［１５］，置于二氧化硅襯底之上，該耦合器中間的重疊耦合區(qū)域約為逡逑２ｕｍ左右。當(dāng)波長(zhǎng)為６３３ｎｍ的光從其中一根微納光纖輸入，經(jīng)過(guò)兩根光纖的重疊逡逑耦合區(qū)域后，光場(chǎng)在耦合區(qū)域幾乎無(wú)散射損耗，以１：１的能量分布從兩根微納光纖逡逑中輸出，實(shí)現(xiàn)輸入光的分束效應(yīng)，因此可作為光纖耦合器使用。２００９年，Ｇｕｏ等逡逑人提出一種金屬－介質(zhì)微納光纖復(fù)合型耦合器［２１］，當(dāng)輸入波長(zhǎng)為６５０ｎｍ的激光時(shí)，逡逑通過(guò)近場(chǎng)耦合拉錐后的光纖與半徑為１２０ｍｎ的Ａｇ納米線及半徑為１３５ｎｍ的ＺｎＯ逡逑納米線

逑年，浙江大學(xué)的童利民等人利用直徑為９５０ｎｍ的微納光纖打結(jié)制成結(jié)直徑為逡逑．ｊｇ值高達(dá)５７０００的共振環(huán)，如圖１．２所示。由于拉錐后光纖表面P勢(shì)場(chǎng)的逡逑存在，當(dāng)光通過(guò)光纖結(jié)時(shí)會(huì)一部分沿著原來(lái)的路徑繼續(xù)傳輸，另一部分會(huì)被直接逡逑耦合至結(jié)附近的光纖輸出端，適當(dāng)?shù)馗淖児舱癍h(huán)的大小可以調(diào)節(jié)光譜的范圍［２８］，逡逑這種結(jié)構(gòu)型諧振腔相比于以上提出的圈型結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，而且結(jié)的半徑也靈活可逡逑調(diào)。逡逑0逡逑輸入光邐Ｗ邐ｆ禹合區(qū)邐ｊｊ逡逑邐ｙ＼、邐輸出光逡逑圖１．２微納光纖諧振腔示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ邋ｒｅｓｏｎａｔｏｒ逡逑ＭｇＦ２邋基底邋ｙ／＼逡逑NB邋微納光纖邐ｃｏｕｐｌｅｒ邐／．邋／逡逑＿邋／邋／／逡逑ｒｚ＿ｒ＾邐＾逡逑圖１．３基于微納光纖的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉儀逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ逡逑利用微納光纖還可以方便地制備出小尺寸、靈活度高的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉儀逡逑［２９］。２００８年，Ｌｉ等人提出了一種整體尺寸約為１００｜ｉｍ的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ調(diào)制器，逡逑輸入寬帶光源時(shí)，，可實(shí)現(xiàn)１０ｄＢ的消光比［３（）］。如圖１－３所示，他們將兩根微納光纖逡逑置于ＭｇＦ２襯底上，改變兩根微納光纖的位置使其兩端貼合而中間相互分離，形成逡逑兩個(gè)３ｄＢ壀合器得到微納光纖Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變干涉儀兩臂間的逡逑光程差
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN761

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2612564