基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究

摘要

原子层厚度的二维石墨烯晶体具有线性色散的能带结构以及极强的载流子带间跃迁，能实现超快的宽带光与物质相互作用，可以自由贴附于光学表面实现光子结构的功能化，已经在激光锁模、超快光调制、偏振控制、光电探测等方面显示出良好的应用前景，其中石墨烯超快光调制是最具挑战和器件应用前景的前沿研究方向之一。最近，通过外加电场改变石墨烯中的费米能级，Liu等人首次在实验上演示了光学波段的石墨烯光调制器，但是，受限于器件电子回路的寄生电容等效应，最高调制速率为1 GHz量级。如果能使用全光调制方式，将可以绕开电子回路的寄生响应，显著提高调制速率。
　　双锥形的氧化硅微纳光纤是从标准光通信单模光纤中直接拉伸而得，通过严格控制光纤拉锥形状和拉伸参数，可以制备出具有具有亚波长直径、超低单模传输损耗的微纳光纤。利用这种双锥形微纳光纤，可以将光从标准单模光纤端以极低的额外损耗经拉锥过渡区耦合进入并以基模（HE11模）沿着微纳光纤传导，再经拉锥过渡区传导回另一端标准单模光纤。这种形式的光传输，不仅能增强微纳光纤表面光与物质的相互作用，同时也能实现微纳结构中的光信号与标准光纤系统的高效衔接。
　　基于上述考虑，本论文提出基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究设想。利用微纳光纤的强倏逝场和导波效应来增强光与石墨烯相互作用，首次在光通信波段获得2.2 ps（计算得到的等效带宽约为450 GHz;考虑到飞秒脉冲为高斯光束，其时间-带宽常数为0.44，则通过计算得到的对应带宽大约是200 GHz）的石墨烯超快光调制实验结果，调制深度达到38％。同时，该调制器结构紧凑、与光纤系统兼容，在光通信、光计算、光逻辑等方面均具有潜在的应用前景。全文共分为以下五个章节:
　　本论文第一章为绪论，简要介绍本课题的目的与意义，以及微纳光纤和石墨烯的研究背景，并概述本论文的主要工作。
　　本论文的第二章主要研究微纳光纤的光传输特性及实验制备。首先，研究微纳光纤的模场分布、单模传输条件以及色散等特性。其次，研究了本文中所使用的双锥形氧化硅微纳光纤的制备，并基于微光纤中多模干涉效应用于应变传感、激光加热熔接微纳光纤用于激光发射等工作研究了徼纳光纤的功能化方法。
　　本论文的第三章主要介绍光学质量的石墨烯包层微纳光纤的研制及光传输特性表征。在此，我们首次提出石墨烯与低损耗微纳光纤复合结构，用于全光纤饱和吸收及全光调制。我们通过撕胶带法制备出寡层石墨烯薄膜，将其转移并包裹在徼纳光纤表面，获得光学质量的石墨烯包层微纳光纤样品。同时，我们对石墨烯包层的光场功率密度和模场分布进行了理论建模和计算，对石墨烯包层微纳光纤的线性及非线性（饱和吸收）传输特性进行了实验测量，结果显示，石墨烯包层微纳光纤具有很好的饱和吸收效应。
　　在本论文的第四章中，我们首次从实验上演示了石墨烯的超快全光调制器。利用纳秒脉冲对石墨烯包层微纳光纤的饱和吸收效应，实现了对1.5微米波段连续光的全光调制。为测试该调制器的超快时间响应，我们搭建了一套基于光纤传输系统的泵浦-探测实验系统，实验测得石墨烯包层微纳光纤的响应时间为2.2 ps（对高斯脉冲而言，其对应的调制速率为200GHz），调制深度达到38％，较此前的自由空间实验的光透过率变化率提高了近2个数量级。
　　本文第五章为本工作的总结与展望。简要概括了本文主要研究成果，同时，提出了在本文基础上可以进一步开展的工作。
　　总的来说，本文提出并实现的基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器，是石墨烯光子学和光纤光学结合的一个成功范例，不仅拓展了光纤光学和石墨烯光子学在超快光子技术领域的应用潜力，也为未来超快光信息处理开辟了一条新的途径。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题目的与意义

1．2 微纳光纤

1．2．1 从标准单模光纤到微纳光纤

1．2．2 氧化硅微纳米纤功能器件举例

1．3 新型功能材料：石墨烯

1．3．1 胶带中撕出了“诺贝尔物理学奖”

1．3．2 石墨烯研究现状

1．3．3 石墨烯光电子功能器件举例及发展趋势

1．4 本论文的主要工作

第二章 微纳光纤的理论研究及实验制备

2．1 引言

2．2 氧化硅微纳光纤光传输特性的研究

2．3 低传输损耗的氧化硅微纳光纤的实验制备

2．3．1 现有制备方法举例

2．3．2 本论文所采用的实验系统

2．3．3 单根双锥形微光纤应用举例：高灵敏度微应力传感器特性研究

2．4 软玻璃微纳光纤的低损耗熔接

2．4．1 微纳光纤熔接背景

2．4．2 改进型二氧化碳激光熔接系统

2．4．3 基于微纳光纤熔接的有源光子器件举例：微光纤闭环激光器特性研究

2．5 本章小结

第三章 石墨烯包层微纳光纤的制备及光传输特性研究

3．1 引言

3．2 石墨烯基本特性介绍

3．2．1 宽带光吸收与宇宙精细结构常数

3．2．2 电控可调的费米能级

3．2．3 载流子的带间跃迁及超快弛豫过程

3．2．4 拉曼光谱与石墨烯层数

3．3 石墨烯与纳米波导复合结构的研究进展

3．3．1 硅基纳米波导集成的宽谱石墨烯光调制器

3．3．2 侧面抛光单模光纤光偏振器

3．3．3 与光子晶体微腔复合应用举例：双稳态光开关及四波混频

3．3．4 其他复合结构的提出

3．4 石墨烯包层微纳光纤：制备与光学表征

3．4．1 石墨烯的制备

3．4．2 石墨烯包层微纳光纤的制备

3．4．3 石墨烯包层微纳光纤的光学表征

3．5 石墨烯包层微纳光纤的光传输特性研究

3．5．1 理论仿真

3．5．2 线性宽带透过谱的实验测量

3．5．3 饱和吸收特性的实验研究

3．6 本章小结

第四章 石墨烯超快全光调制器特性研究

4．1 引言

4．1．1 全光开关调制的研究现状

4．1．2 石墨烯全光调制器的优势

4．2 石墨烯超快全光调制器工作原理

4．3 纳秒脉冲调制连续信号

4．3．1 实验装置

4．3．2 实验结果与分析

4．4 超快全光调制的响应时间测试

4．4．1 光纤泵浦-探测实验测试系统

4．4．2 实验结果及分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

作者简介