基于D型光纤的石墨烯高速电光调制器的研究

摘要

随着信息时代的迅速发展，人们对于通信带宽和速度的要求越来越高。通信容量的增加对光通信系统中各器件的性能提出了更高的要求。光调制器是光通信系统中必不可少的器件之一，研究出大消光比，宽带宽的新型电光调制器至关重要。石墨烯具有饱和吸收、超高的载流子迁移率以及超宽的光谱吸收范围等卓越特性，采用石墨烯作为调制器的电光材料，有利于提高调制器的速率及调制深度。D型光纤因纤芯距离外界表面较近，光纤表面具有较强的倏逝场，在D型光纤表面涂覆电光材料时，电光材料可与光进行充分作用，从而大幅度提高调制器的调制效率。
　　与普通D型石墨烯电光调制器相比，级联结构的电光调制器，参数灵活可调，本文结合D型光纤和石墨烯的优势，利用D型光纤的倏逝场特性，提出了一种基于级联结构的D型光纤的石墨烯高速电光调制器并研究基本特性。本文主要研究内容如下:
　　(1)针对石墨烯特殊的电光特性，根据库伯公式对石墨烯的电导率、介电常数、折射率进行了公式推导，并分别对石墨烯的电导率、介电常数、折射率及外加电压与其化学势的关系进行了研究。
　　(2)对基于D型光纤的单层石墨烯电光调制器进行了分析。首先，对调制器的波导结构进行了优化，研究表明选取剩余包层厚度为0.5μm，纤芯半径为3μm，纤芯包层折射率差选择为0.004时，调制器有较好的性能。其次，通过改变石墨烯的化学势，对调制原理进行了验证。最后，对调制器的调制性能进行了分析，计算该单层石墨烯电光调制器的消光比为6.56dB，调制深度为0.033dB/μm。
　　(3)提出了一种基于级联D型光纤的石墨烯电光调制器，有效克服单层石墨烯电光调制器调制深度低的问题。首先，对调制器的结构进行了验证，当D型光纤表面涂覆双层石墨烯时，器件消光比为18dB，调制深度为0.09dB/μm，3dB带宽为18GHz。其次，分析了基于级联结构的D型光纤的石墨烯电光调制器性能，研究了两段光纤中的石墨烯在不同化学势下以及涂覆层数不同时，电光调制器的基本特性。得出当最大调制深度为0.23dB/μm时，所需最大驱动电压分别为0.862V、0.942V。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 光调制器的研究背景

1．2 D型光纤的研究背景

1．3 石墨烯调制器的研究现状

1．4 本文的研究意义及主要工作安排

2．1 引言

2．2 石墨烯的结构

2．3 石墨烯的基本特性

2．3．1 石墨烯的电学特性

2．3．2 石墨烯的光学特性

2．3．3 石墨烯的其他特性

2．4 石墨烯的制备方法

2．5 电光调制器的性能参数

2．6 本章小结

3 基于D型光纤涂覆石墨烯波导结构的研究

3．1 引言

3．2 石墨烯的参数分析

3．2．1 石墨烯的折射率与其化学势的关系

3．2．2 外加驱动电压与石墨烯化学势的关系

3．3 基于D型光纤的单层石墨烯电光调制器的参数研究

3．3．1 D型光纤剩余包层厚度对单层石墨烯波导结构的影响

3．3．2 D型光纤纤芯和包层半径对单层石墨烯波导结构的影响

3．3．3 D型光纤纤芯包层折射率差对单层石墨烯波导结构的影响

3．3．4 D型光纤涂覆单层石墨烯波导结构损耗随波长的变化

3．4 基于D型光纤的单层石墨烯电光调制器的性能分析

3．5 本章小结

4 基于D型光纤石墨烯电光调制器的结构优化

4．1 引言

4．2 双层石墨烯电光调制器的结构设计

4．2．1 石墨烯层间的隔离介质材料对调制器的影响

4．2．2 石墨烯层间的隔离介质厚度对调制器的影响

4．2．3 石墨烯涂覆层数对调制器的影响

4．3 双层石墨烯电光调制器的分析

4．4 基于D型光纤级联结构的电光调制器结构设计

4．5 级联的电光调制器的性能计算

4．6 本章小结

5．1 本文总结

5．2 未来展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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