微纳光纤复合光波导的光控特性研究

摘要

光波导是限制和引导光波沿着确定的方向传播的介质装置。研究光波导中光传输特性及其应用的学科称为导波光学。导波光学一般分为光纤光学和集成光学。光波导原理与器件早已广泛用于信息探测、传输、处理等各个领域。微纳光纤是尺度在微米或纳米级别的光波导，具备各种优异的性能，如高的表面平滑度、低的插入损耗、稳定的物理化学性能、较高的机械强度、较强的光的约束力、较强的倏逝场等。 首先，本文通过设计微纳光纤石墨烯复合光波导，利用微纳光纤耦合石墨烯的方法实现石墨烯与光的相互作用；引入PDMS作为包层材料，以及金膜石墨烯构成复合薄膜，增强光纤表面的倏逝场与石墨烯的相互作用，充分发挥石墨烯的偏振效应和可饱和吸收特性，实现石墨烯对光的控制。具体的复合结构及其结果如下： 1．微纳光纤石墨烯复合光波导：PDMS衬底使微纳光纤与石墨烯更好的贴合，保证了光与石墨烯强的相互作用；石墨烯保持平面结构，更利于石墨烯偏振滤波效应，复合光波导偏振消光比依赖于微纳光纤的腰区直径，在直径为3.9μm时，实现波长1550 nm光偏振消光比最大值31.1 dB；高强度的光激发了复合波导中石墨烯的可饱和吸收效应，当S-偏振模式偏振光980 nm光源能量逐渐增加时，在透过率产生3 dB和10 dB改变时，需要的入射光能量分别为11.8 dBm和18.2 dBm。 2．PDMS包层微纳光纤石墨烯复合光波导：PDMS包层避免了空气包层结构中由于折射率突变所产生的额外插入损耗，改善了复合光波导的起偏效应，消光比最大可以达到47.0 dB；信号光和泵浦光的偏振模式决定着调制深度和调制能耗，在S-偏振模式下，信号光透过率产生3dB、10dB和20dB改变时，需要泵浦光的能量分别为5.8mW、21.0 mW和57.0 mW。 3．PDMS包层微纳光纤金/石墨烯复合光波导：金膜在限制倏逝场的同时，增强了倏逝场与石墨烯的相互作用。实验结果显示，在1550 nm波长消光比可达到42.3 dB；在S偏振模式下，信号光的3 dB和10 dB调制对应的泵浦光功率分别为2.8 mW和5.6 mW。 利用微纳光纤和石墨烯构建成的复合光波导，在原理上可以实现对超过100 GHz的超快光信号的控制。微纳光纤石墨烯复合光波导可以集光的发射、传输、调制、计算、探测等于一身，在未来的光纤通信、光纤传感到超快激光器的应用中有着非常重要的价值。 另外，本文通过对七芯光纤拉锥构建了单模光纤-七芯光纤-单模光纤干涉仪。在衬底效应的作用下，偏振光的偏振角度影响着干涉仪的透过光谱的干涉衬度。将单芯-七芯-单芯结构嵌入PDMS应用于温度传感。实验结果表明，温度范围为25℃到45℃时，传感器的温度敏感度最大可以达到11714 pm/℃，敏感度远远高于已经报道的同类型的光纤传感器。因此，相信锥型七芯光纤复合光波导结构可以在波导器件中发挥非常重要的作用。

目录

第1章 引言

1.1选题背景及意义

1.2微纳光纤

1.3功能材料石墨烯

1.4基于石墨烯复合光波导的光起偏器件的研究现状

1.5基于石墨烯复合光波导的光调制器研究现状

1.6多芯光纤在光纤传感领域的研究现状

1.7论文的主要内容

第2章 石墨烯和微纳光纤制备

2.1单层石墨烯的制备

2.2微纳光纤的制备

第3章 微纳光纤石墨烯复合光波导光控特性研究

3.1微纳光纤石墨烯复合光波导

3.2 PDMS包层微纳光纤石墨烯复合光波导

3.3金膜/石墨烯微纳光纤复合光波导

3.4小结

第4章 七芯光纤复合光波导及其温度传感

4.1方案模型和原理

4.2传感器制作与性能测试

4.3结果与讨论

4.4小结

第5章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录