石墨烯电吸收型调制器的理论与技术研究

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目录
目 录
第一章 绪论 .....................................................................................................................1 1.1 光纤通信概述 ............................................................................................... 1 1.2 电光调制器概述与分类 ................................................................................ 2 1.3 石墨烯光调制器概述 .................................................................................... 2 1.3.1 石墨烯光调制器的研究意义 ............................................................. 2 1.3.2 石墨烯光调制器的研究进展 ............................................................. 3 1.4 本论文的主要工作和章节安排 .................................................................... 7 第二章 石墨烯材料与石墨烯电吸收调制器基本工作原理 .........................................9 2.1 石墨烯的理论发展与发现历史 ................................................................... 9 2.2 石墨烯的结构 ............................................................................................... 9 2.2 石墨烯的基本性能 ....................................................................................... 9 2.2.1 石墨烯的能带结构 ............................................................................ 9 2.2.2 石墨烯的电子特性 .......................................................................... 12 2.2.3 石墨烯的光学特性 ........................................................................... 13 2.3 石墨烯制备方法简介 ................................................................................. 14 2.4 石墨烯电吸收调制器的基本工作原理 ..................................................... 15 2.5 本章小结 ...................................................................................................... 15 第三章 石墨烯电吸收型调制器的波导分析与设计 ...................................................16 3.1 石墨烯电吸收调制器基本理论 ................................................................. 16 3.1.1 石墨烯电吸收调制器基本波导结构 .............................................. 16 3.1.2 石墨烯上施加电压与费米能级关系 .............................................. 16 3.1.3 石墨烯介电常数与化学势（费米能级）关系 .............................. 17 3.1.4 石墨烯折射率与介电常数关系 ....................................................... 18 3.1.5 石墨烯复折射率实部与虚部的物理意义 ....................................... 19 3.1.6 石墨烯的费米能级与介电常数、折射率关系的计算 .................. 20 3.2 石墨烯调制器波导参数设计、分析 ......................................................... 21 3.2.1 波导尺寸分析 .................................................................................. 21 3.2.2 硅覆盖层厚度对波导影响分析 ...................................................... 22 3.2.3 各结构下石墨烯施加电压后对波导的特性影响情况分析 .......... 25 3.3 石墨烯间填充介质类型与厚度对波导性能的影响 ................................. 30
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ABSTRACT
of each indicator under different waveguide parameter is given. At the end of this paper, as each modulators’ performance with different parameter are compared and analyzed, the optimize structure of the modulator is given. At present, as research on the grapheme based electro-optic modulator is not too much in China, our theoretical work in this paper might be helpful to those who will do some further theoretical and experimental studies of graphene-based electro-absorption modulator in the future. Keywords: graphene, electro-optic modulator, electro-absorption modulator

Major: Author: Advisor: School:
Optical Engineering Yuze Xiao Jinkun Liao School of Optoelectronic Information
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
分类号密级 UDC 注 1
学位论文
石墨烯电吸收型调制器的理论与技术研究
（题名和副题名）
肖宇泽
（作者姓名）
指导教师
廖进昆 电子科技大学
副教授 成都
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 提交论文日期
硕士 2014.4
学科专业 论文答辩日期
光学工程 2014.5
学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人
电子科技大学 2014 年 6 月 27 日 李和平 张晓霞 陆荣国
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
THEORETICAL RESEARCH ON GRAPHENE-BASED ELECTRO-ABSORPTION MODULATION
A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China
摘要
摘
要
电光调制器是光纤通信网络中的关键器件，其性能的好坏将直接决定网络传 输的性能。在未来的应用中，电光调制器将向高速、体积小、易集成的方向发展。 因为石墨烯独特的电子、光学特性，包括超高的载流子迁移率、零带隙、线性吸 收等特点，引起了人们的重视，许多基于石墨烯的集成光学器件已经被制造出来。 而利用了石墨烯独特的光吸收特性，并且可通过电压控制吸收的特点，基于石墨 烯的电吸收性调制器开始被人们发现。 本文中主要分析的是一种采用双层石墨烯放置于脊型波导下方，并在石墨烯 层下增加了一层高折射率的覆盖层，将石墨烯类似“三文治”结构地夹在波导与 高折射率覆盖层之间的波导结构 ,并对多种结构与参数下电吸收型调制器进行了 理论研究与仿真计算，本文的主要工作内容有： (1) 简单介绍了光纤通信系统以及介绍了电光调制器的分类， 其中重点介 绍了石墨烯电光调制器。针对本论文的研究背景介绍了石墨烯电光调制器 的研究意义以及发展现状。 (2) 介绍了石墨烯材料的电子、光学特性，包括能级结构，电子、能带特 性，光学吸收等特性，并简单介绍了石墨烯的制作方法以及对石墨烯电吸 收型调制器的基本工作原理进行了介绍与基本推导。 (3) 针对石墨烯电压可控的光吸收特性，推导分析了石墨烯电压与费米能 级，费米能级与材料复折射率、介电常数之间的关系。并针对不同的调制 器结构、波导结构，通过 COMSOL 软件进行了仿真模拟，得到器件复折 射率随结构、参数变化的情况并加以分析。 (4) 针对电光调制器的几个主要性能参数， 分别对石墨烯电吸收型调制器 的这几项参数进行了详细的推导与计算。结合了 COMSOL 软件仿真得出 的各参数下的波导折射率，通过 MATLAB 计算得到了在不同波导参数下 调制器的性能情况。并对各波导结构、参数下的调制器性能进行了比较与 分析。 目前国内对基于石墨烯的电吸收型调制器的研究并不多，本文的工作将为今 后基于石墨烯的电吸收型调制器的实验研究及进一步的理论研究给予了一定帮 助，并起到一个理论参考的作用。 关键词：石墨烯，电光调制器，电吸收型调制器