基于石墨烯电光调制器的结构设计和性能研究

摘要

石墨烯是一种由单层或者较少层数的碳原子通过Sp2杂化得到的材料。它可以由例如机械透明胶带法和化学剥离石墨法自上而下制备，也可以通过化学汽相淀积之类的方法自下而上的制备。这种二维材料所拥有的独特物理和化学性质吸引了来自各个方面研究人员的目光。石墨烯吸收对于白光的吸收效率可以达到2.3％，这也是一个独特而有趣的属性,特别是考虑到它的厚度只有一层单原子层之后。这是由于它的电子特性决定的，它的这些有趣的特性使它在高性能电子设备领域成为了一种前景广阔的材料。
　　本文首先阐述了关于石墨烯调制器的发展历程，通过对前人的研究成果进行分析，掌握了基于石墨烯调制器设计的基本原理。通过对Mach-Zenhder调制器的基本原理进行分析，可知石墨烯波导由于独特的能带结构、光学和电学特性，使它具有很好的光透性和较大的有效折射率变化量，因此可以应用于Mach-Zenhder调制器的构建。通过结合以往国内外关于波导材料的研究成果，为了进一步提高石墨烯层的工作效率，设计出了一种对称的石墨烯波导结构。通过对该对称结构石墨烯波导的有效折射率变化量以及吸收损耗等特性参数进行分析和研究，进一步优化该石墨烯波导的结构，最终得到了一种三层石墨烯波导。具体分析了影响Mach-Zenhder调制器性能的影响参数，如两臂间距、Y分支角大小及过渡区长度等，通过计算和分析Mach-Zenhder调制器的消光比、调制带宽及插入损耗等影响因素，对调制器的结构进一步的优化，最终设计出了一种两臂非对称型的Mach-Zenhder调制器。通过Comsol软件对波导的参数进行了模拟，研究了基于石墨烯的光波导模型。通过对基于石墨烯光波导的Mach-Zehnder干涉型调制器进行软件仿真研究，设计出了这种新型的石墨烯调制器，优化了它的结构，并最终计算出了它的性能参数。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯简介

1.3 石墨烯常见的制备方法

1.4 基于石墨烯的调制器的研究现状

1.5 本论文的研究项目和内容

第二章 石墨烯材料特性与电光调制器的基本原理

2.1 石墨烯的结构

2.2 石墨烯的材料特性

2.3 电光调制器的基本原理

2.4 Mach-Zehnder结构光学偏置

2.5 COMSOL Multiphysics 软件简介

2.6本章小结

第三章 石墨烯波导理论与设计

3.1 光波导基本结构

3.2 石墨烯性能参数的研究

3.3双脊形波导设计

3.4 基于石墨烯的脊波导结构参数

3.5 本章小结

第四章 基于石墨烯的Mach-Zehnder干涉型调制器的结构优化

4.1 Mach-Zehnder调制器结构的设计

4.2 路径非对称Mach-Zehnder结构设计

4.3 M-Z干涉型调制器调制参数

4.4 折射率非对称Mach-Zehnder结构设计

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文总结

5.2 前景展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果