基于石墨烯涂覆的光子晶体光纤偏振器件的研究

论文摘要

随着信息科技新浪潮的来临,大数据、AI、云服务等新兴业务的发展对通信网络的容量和速率提出了更大的需求。全光通信网络可以提供更为巨大的通信容量和更高的传输速率,为信息社会奠定高速、稳定、可靠的发展基石。而结合新技术和新材料研制高性能的新型光纤器件,是发展全光通信网络的关键。基于石墨烯的偏振分束器和偏振转换器展现了优良的偏振性能和新颖的调制特性,近年来成为了新型光器件的研究热点。基于平面波导的石墨烯偏振器件集成到全光网络时会带来较大的损耗,限制了其应用,因而研制新型的石墨烯光纤偏振器件具有现实必要性和一定的发展潜力。光子晶体光纤作为一种灵活的微结构光纤,可与石墨烯结合,实现具有特定功能的光纤偏振分束和转换器件。基于上述背景,本论文的研究内容如下:（1）研究了一种基于中心空气孔涂覆石墨烯的双芯光子晶体光纤偏振分束器。当器件长度为100.8μm时即可实现完全的偏振分束。当器件长度为502.57μm时,石墨烯化学势为0.6eV和0.87eV的情况下,偏振消光比分别为90dB和-58dB。分析揭示了利用石墨烯制作偏振可转换的光纤偏振分束器的可行性。（2）研究了一种基于抛磨面涂覆石墨烯的D型双芯光子晶体光纤偏振分束器,可调制x偏振方向的耦合长度而不影响y偏振方向。器件长度为535.8μm时,耦合端输出消光比可在-29.3dB到-65.5dB之间变化。（3）研究了一种基于双D型光子晶体光纤构成的双芯耦合系统的偏振分束器,在光纤邻接表面上涂覆有石墨烯,可调制y偏振方向的耦合长度,而不影响x偏振方向。器件长度为258.5μm和361.9μm时,可在直通端和耦合端之间切换输出y偏振方向光功率,且调制区间内损耗较低。（4）研究了一种基于表面开放空气孔涂覆石墨烯的D型双芯光子晶体光纤偏振分束转换器,可对x和y偏振方向的耦合长度同时进行调制。当器件长度为2996.4μm时,在损耗较低的调制区间内,输出端消光比在-48.2dB到50.9dB之间变化,可实现偏振转换功能。本文提出的几种石墨烯涂覆光子晶体光纤结构均可实现紧凑型、高消光比的光纤偏振分束器件,并且具有功率可调和偏振转换的调制特性,在全光网络当中具有较大应用前景。

论文目录

致谢

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 研究目的及意义

1.2 研究背景及现状

1.2.1 光子晶体光纤偏振器件

1.2.2 基于石墨烯的偏振器件

1.3 本文的研究思路及主要工作

2 石墨烯涂覆光子晶体光纤特性研究的理论基础

2.1 石墨烯的光电特性以及数值仿真方法

2.1.1 能带结构

2.1.2 石墨烯的光学特性

2.1.3 石墨烯的数值仿真

2.2 光子晶体光纤数值仿真方法

2.2.1 光子晶体光纤原理介绍

2.2.2 有限元法介绍

2.2.3 利用有限元方法求解光子晶体光纤

2.3 本章小结

3 基于石墨烯涂覆双芯光子晶体光纤的偏振分束器

3.1 双芯光子晶体光纤偏振分束器原理

3.1.1 双芯光子晶体光纤的模式耦合特性

3.1.2 双芯光子晶体光纤偏振分束工作原理

3.2 石墨烯涂覆双芯光子晶体光纤偏振分束器

3.2.1 光纤结构设计

3.2.2 仿真结果

3.2.3 偏振分束特性分析

3.3 本章小结

4 基于石墨烯涂覆的D型光子晶体光纤偏振分束转换器

4.1 D型双芯光子晶体光纤结构

4.2 双D型光子晶体光纤结构

4.3 表面开放空气孔的D型双芯光子晶体光纤结构

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 未来工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王坚凯

导师: 裴丽

关键词: 石墨烯,光子晶体光纤,偏振分束器,偏振转换器,有限元法

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京交通大学

分类号: TN253

总页数: 70

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