基于石墨烯和微结构光纤的光学电光调制器关键技术研究

Research of graphene-based optoelectronic devices, particularly the optical modulator, has become a hotspot of the new device in photonics field. Based on the electro-absorption effect of graphene, a new structure is put forward that a side-polished microstructured fiber (solid core or hollow core) as an optical waveguide is coved by a graphene. Both the new optical modulator integrated on optical fiber and its key technologies will be studied. The theoretical model of electro-absorption effect in the side-polished micro-structure optical fiber (solid core or hollow core) covered by a graphene will be built. According to the model, the profiled configuration of cross-section of the micro-structured fiber will be calculated and investigated theoretically to obtain these structure parameters which are suited for high-speed modulation. Key technologies of side polishing of micro-structured fiber are studied in order to make an optical fiber waveguide of the optical modulator, which is suited for both graphene coverage and preparation of electrodes. Key technologies of the graphene coverage or the preparation of electrodes are investigated to solve the problem of the coupling efficiency between graphene and light field. A new mechanism of significant electro-optic effect induced in side polished microstructured fiber coved by graphene is studied to build a new optical modulator. Solution of the key technologies of this device will not only promote the construction of optical modulator with both small size and high-speed modulation, but also provide a key technology for the new fiber optic integrated devices.

基于石墨烯的光电子器件研究，特别是光学调制器研究，已成为光电子领域新器件研究热点。本项目提出基于石墨烯的电致光吸收效应，采用微结构光纤作为光传输波导，将石墨烯覆盖在侧边抛磨微结构光纤段的新结构设计，研究在光纤上集成的新型光学电光调制器及其关键技术。研究侧边抛磨微结构光纤覆盖石墨烯后的电致光吸收效应的理论模型，理论计算异型光纤横截面结构，获得适应高速调制的微结构光纤参数；研究适合石墨烯覆盖和电极制备的微结构光纤侧边抛磨关键技术，解决此光学调制器的光纤波导问题；研究石墨烯覆盖和电极制备关键技术，解决石墨烯与光场耦合效率问题；研究侧边抛磨微结构光纤覆盖石墨烯产生显著电光效应的新机理，探索新型光学调制器等。此研究在器件结构设计，调制器件的机理研究和实验制备方法上具有创新。此器件关键技术的解决，不仅可推动较小尺寸、高速调制的光学电光调制器的研发，还可为新型光纤集成器件提供关键技术。

全光纤光学电光调制器是新一代通信的关键器件之一。将石墨烯和微结构光纤结合在一起构建的光学电光调制器，可实现全光纤器件。本项目开展的关键技术研究有：侧边抛磨微结构光纤覆盖石墨烯后的电致光吸收效应的机理；特殊微结构光纤的制备；侧边抛磨光纤或光波导上覆盖石墨烯的沉积和转移技术及应用；侧边抛磨光纤或光波导上调制电极制备及应用；适合石墨烯覆盖和电极制备的光纤侧边抛磨技术；集成化石墨烯光纤器件等。. 针对基于石墨烯覆盖侧边抛磨光纤的光吸收型光学电光调制器，提出了两种调制机理（一是泡利阻塞效应，一是等离子波共振吸收效应），从调制深度、驱动电压、功耗、调制带宽等方面进行了分析，获得了相关理论参数，为实验研究提供了理论指导。在各种侧边抛磨光纤或微纳光纤上，经技术处理，涂覆纳米粒子、涂覆石墨烯等二维材料、涂覆微结构液晶等材料，或者利用微纳制造技术等方法，构建了多种新型的微结构光纤。研发了在侧边抛磨光纤上转移和覆盖石墨烯工艺技术，并将此技术应用于侧边抛磨光纤、微纳光纤、晶体光波导等各种微光学波导。发明了适用于侧边抛磨光纤调制器的叉指调制电极，以及晶体光波导上实现高速光调制的特殊电极，并在光纤和晶体光波导上完成了工艺制备。发明了光子晶体光纤轴向方位角的定轴技术，实现了光子晶体光纤轴向方位角的无损、非接触在线测量，制成了工程化的仪器。实现了基于石墨烯的集成于光纤上的光电探测器，以及基于石墨烯的集成光纤光电探测器及偏振控制器的双功能器件。. 研究工作创新点1.建立了基于石墨烯覆盖侧边抛磨光纤的光吸收型光学电光调制器机理模型，并计算获得了相关器件参数；2.在侧边抛磨光纤上，设计制备成功了适用于石墨烯覆盖侧边抛磨光纤光学电光调制器的特殊调制电极；3.基于石墨烯的集成光电探测器及光偏振调制器的全光纤集成化器件。. 在本项目资助下，共发表学术论文共32篇，其中SCI收录期刊学术论文23篇。申请中国专利10件，其中授权发明专利和实用新型专利各1件。毕业博士生1位，毕业硕士生6位。