基于石墨烯的D型双芯全光纤光调制器的研究

• 作 者: 金丽丹
• 出 处: 北京交通大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 石墨烯 D型双芯光纤 全光纤调制 消光比 吸收损耗

光调制器是现代光通信链路中的关键器件,随着信息社会对传输速率要求的提高,光调制器向大带宽、高消光比、低插入损耗的方向发展。近年来,石墨烯因其独特的能带结构、优异的电学和光学特性成为研究热点,基于石墨烯的光调制器具有调制速率快、调制带宽大、易集成等优势。此外,全光纤光调制器与光通信系统有良好的兼容性,而D型双芯光纤使调制材料与倏逝场充分作用,有利于提高调制效率和消光比。本文将石墨烯与D型双芯光纤结合,提出一种基于石墨烯的D型双芯全光纤光调制器结构,实现石墨烯吸收调制和两芯耦合调制双重调制效果。本文基于此结构展开研究,逐步对结构参数进行优化,并分析调制器的调制特性。主要研究工作如下:(1)阐述了基于石墨烯的光调制器的研究背景及现状;分析了石墨烯的能带结构、光学和电学特性及双芯光纤传输理论;基于Kubo公式理论推导了石墨烯电导率、介电常数、折射率与化学势的关系;详细介绍了石墨烯和D型双芯光纤的制备工艺。(2)研究了基于石墨烯的D型双芯全光纤光调制器的调制原理并建立理论模型。基于该模型仿真分析了调制器传输模式、两芯半径、两芯间距、石墨烯层数、过渡层材料等结构参数对调制性能的影响。研究表明在TE模式下调制器具有更优的调制效果;当两芯半径分别取2.5μm和2.8μm,两芯间距为12μm时更利于耦合调制;石墨烯层数越多吸收调制效果越好,但输出功率也越小;过渡层材料h-BN比Al2O3调制效率更高。对调制器进行性能分析,得到调制带宽为8.56GHz,消光比为67.64dB,插入损耗为1.4dB。(3)对调制器进行结构调整和参数优化。仿真分析了将纤芯由纵向排列改为横向排列时调制器的调制性能,得到调制带宽为37.04GHz,消光比为30.37dB,插入损耗为1.37dB;当石墨烯涂覆宽度减小为6μm时,调制带宽为54.92GHz,消光比为22.78dB,插入损耗为1.02dB;分析了 D型双芯光纤的研磨深度对调制器性能的影响,研究表明研磨深度越大调制器损耗越大,信号衰减越快。因此,调整结构参数可以提升与其相关的调制性能。本调制器结构解决了传统调制器与光纤链路兼容的问题,具有调制速度快、消光比高及全光纤调制的优势。