基于微納光纖的石墨烯超快全光調(diào)制器研究.pdf

1、原子層厚度的二維石墨烯晶體具有線性色散的能帶結(jié)構(gòu)以及極強(qiáng)的載流子帶間躍遷，能實(shí)現(xiàn)超快的寬帶光與物質(zhì)相互作用，可以自由貼附于光學(xué)表面實(shí)現(xiàn)光子結(jié)構(gòu)的功能化，已經(jīng)在激光鎖模、超快光調(diào)制、偏振控制、光電探測等方面顯示出良好的應(yīng)用前景，其中石墨烯超快光調(diào)制是最具挑戰(zhàn)和器件應(yīng)用前景的前沿研究方向之一。最近，通過外加電場改變石墨烯中的費(fèi)米能級，Liu等人首次在實(shí)驗(yàn)上演示了光學(xué)波段的石墨烯光調(diào)制器，但是，受限于器件電子回路的寄生電容等效應(yīng)，最高調(diào)制速率

2、為1 GHz量級。如果能使用全光調(diào)制方式，將可以繞開電子回路的寄生響應(yīng)，顯著提高調(diào)制速率。
　　雙錐形的氧化硅微納光纖是從標(biāo)準(zhǔn)光通信單模光纖中直接拉伸而得，通過嚴(yán)格控制光纖拉錐形狀和拉伸參數(shù)，可以制備出具有具有亞波長直徑、超低單模傳輸損耗的微納光纖。利用這種雙錐形微納光纖，可以將光從標(biāo)準(zhǔn)單模光纖端以極低的額外損耗經(jīng)拉錐過渡區(qū)耦合進(jìn)入并以基模（HE11模）沿著微納光纖傳導(dǎo)，再經(jīng)拉錐過渡區(qū)傳導(dǎo)回另一端標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。這種形式的光傳輸，不

3、僅能增強(qiáng)微納光纖表面光與物質(zhì)的相互作用，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)中的光信號與標(biāo)準(zhǔn)光纖系統(tǒng)的高效銜接。
　　基于上述考慮，本論文提出基于微納光纖的石墨烯超快全光調(diào)制器研究設(shè)想。利用微納光纖的強(qiáng)倏逝場和導(dǎo)波效應(yīng)來增強(qiáng)光與石墨烯相互作用，首次在光通信波段獲得2.2 ps（計(jì)算得到的等效帶寬約為450 GHz;考慮到飛秒脈沖為高斯光束，其時(shí)間-帶寬常數(shù)為0.44，則通過計(jì)算得到的對應(yīng)帶寬大約是200 GHz）的石墨烯超快光調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)制深

4、度達(dá)到38％。同時(shí)，該調(diào)制器結(jié)構(gòu)緊湊、與光纖系統(tǒng)兼容，在光通信、光計(jì)算、光邏輯等方面均具有潛在的應(yīng)用前景。全文共分為以下五個(gè)章節(jié):
　　本論文第一章為緒論，簡要介紹本課題的目的與意義，以及微納光纖和石墨烯的研究背景，并概述本論文的主要工作。
　　本論文的第二章主要研究微納光纖的光傳輸特性及實(shí)驗(yàn)制備。首先，研究微納光纖的模場分布、單模傳輸條件以及色散等特性。其次，研究了本文中所使用的雙錐形氧化硅微納光纖的制備，并基于微光纖中多

5、模干涉效應(yīng)用于應(yīng)變傳感、激光加熱熔接微納光纖用于激光發(fā)射等工作研究了徼納光纖的功能化方法。
　　本論文的第三章主要介紹光學(xué)質(zhì)量的石墨烯包層微納光纖的研制及光傳輸特性表征。在此，我們首次提出石墨烯與低損耗微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)，用于全光纖飽和吸收及全光調(diào)制。我們通過撕膠帶法制備出寡層石墨烯薄膜，將其轉(zhuǎn)移并包裹在徼納光纖表面，獲得光學(xué)質(zhì)量的石墨烯包層微納光纖樣品。同時(shí)，我們對石墨烯包層的光場功率密度和模場分布進(jìn)行了理論建模和計(jì)算，對石墨烯包

6、層微納光纖的線性及非線性（飽和吸收）傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，結(jié)果顯示，石墨烯包層微納光纖具有很好的飽和吸收效應(yīng)。
　　在本論文的第四章中，我們首次從實(shí)驗(yàn)上演示了石墨烯的超快全光調(diào)制器。利用納秒脈沖對石墨烯包層微納光纖的飽和吸收效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對1.5微米波段連續(xù)光的全光調(diào)制。為測試該調(diào)制器的超快時(shí)間響應(yīng)，我們搭建了一套基于光纖傳輸系統(tǒng)的泵浦-探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測得石墨烯包層微納光纖的響應(yīng)時(shí)間為2.2 ps（對高斯脈沖而言，其對應(yīng)的調(diào)制