光纖-石墨烯復(fù)合光波導(dǎo)特性研究與器件實(shí)現(xiàn).pdf

1、本論文屬光學(xué)工程學(xué)科，微納光子學(xué)領(lǐng)域。
　　石墨烯，一種呈蜂窩狀晶格排列的單原子層二維碳單質(zhì)材料，其發(fā)現(xiàn)獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯及其衍生材料以其獨(dú)一無二的物理化學(xué)特性和廣泛的應(yīng)用前景，交叉跨越傳統(tǒng)的材料科學(xué)、介觀電磁學(xué)、量子信息學(xué)、熱力學(xué)和凝聚態(tài)物理等諸多領(lǐng)域，正在為當(dāng)代科技帶來革命性的變化。特別是近年來在光電子學(xué)領(lǐng)域，基于石墨烯的光學(xué)和光子學(xué)研究提出了一系列新概念、揭示了一系列新原理、展示了一系列新現(xiàn)象、開發(fā)出一系列

2、新器件，逐漸形成了石墨烯光子學(xué)的新方向。
　　在石墨烯光子學(xué)高速發(fā)展的道路上，其與光纖的結(jié)合是大勢(shì)所趨，基于光纖/石墨烯的復(fù)合波導(dǎo)，兼具光纖和石墨烯的優(yōu)勢(shì)，顯現(xiàn)出巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和技術(shù)應(yīng)用潛力：（1）傳統(tǒng)光纖需要石墨烯提供的功能化和可調(diào)節(jié)特性以實(shí)現(xiàn)新的器件，石墨烯需要一種性質(zhì)穩(wěn)定、廣泛應(yīng)用、低損耗和易操作的波導(dǎo)載體（光纖）以實(shí)現(xiàn)其光學(xué)能效，推進(jìn)其實(shí)用化，二者的統(tǒng)一相輔相成，具有必然性；（2）石墨烯作為大面積的柔性薄膜，在CVD生

3、長(zhǎng)和濕法轉(zhuǎn)移等技術(shù)的支持下，能有效在各類光學(xué)波導(dǎo)上覆蓋、沉積，而光纖在經(jīng)過加工后能和導(dǎo)行倏逝波，和石墨烯高效地相互作用，二者的組合具有高度的可行性。然而，基于石墨烯的光纖光子學(xué)研究，作為一個(gè)跨越多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的新興課題，仍然處于探索階段，面對(duì)復(fù)雜的實(shí)際需求，面臨諸多挑戰(zhàn)，需要在光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的特性探究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)和性能評(píng)估中做大量的工作。正因?yàn)槿绱?，光纖/石墨烯復(fù)合光波導(dǎo)特性研究與器件實(shí)現(xiàn)這一選題，視角前沿內(nèi)涵豐富、服務(wù)面

4、廣，既面向世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，也切合微納光子學(xué)發(fā)展中的戰(zhàn)略布局。
　　本論文在國(guó)家公派聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目（CSC201506070043）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61290312,61205048,61107072,61107073,61475032）、教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1218)、教育部\國(guó)家外專局111項(xiàng)目（B14039）和電子科技大學(xué)優(yōu)博選培計(jì)劃\優(yōu)博學(xué)術(shù)支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下，我們有幸在石墨烯光學(xué)的興起之初，

5、在國(guó)際上率先開展了光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)及其傳感器件的研究，為石墨烯光纖光學(xué)新分支做出了重要的貢獻(xiàn)，主要包括：
　　率先完成對(duì)光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的物理建模和導(dǎo)波特性研究，首次提出和實(shí)現(xiàn)了全光纖測(cè)量石墨烯復(fù)合波導(dǎo)折射率的新方法并測(cè)定了石墨烯1500nm-1600nm的色散；提出和實(shí)現(xiàn)了首個(gè)石墨烯-微納光纖氣體傳感器，并不斷豐富結(jié)構(gòu)，發(fā)展出一脈相承的光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)生化傳感器家族，并不斷提高靈敏度；提出并實(shí)現(xiàn)了首個(gè)基于石墨烯的脈沖

6、隨機(jī)光纖激光器和首個(gè)逼近傅里葉轉(zhuǎn)換極限的石墨烯-DFB高能調(diào)Q激光器；以有源化石墨烯光纖光子學(xué)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了片上電光可調(diào)的石墨烯DFG-SPP以及Kerr光頻率梳的的激發(fā)和控制。
　　本論文主要研究工作內(nèi)容總結(jié)如下：
　　(1)建立了光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的新模型，系統(tǒng)闡述了將光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的線性傳輸特性，將石墨烯等效為厚度為0.4nm的超薄波導(dǎo)，其光學(xué)折射率由自身電導(dǎo)率決定，進(jìn)而影響復(fù)合波導(dǎo)的復(fù)數(shù)模有效折射率，演化出豐

7、富的物理內(nèi)涵。本論文從導(dǎo)波理論、干涉理論和模式理論出發(fā)，深入的分析了光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)時(shí)、頻、空響應(yīng)，建立了其具有廣泛物理意義的光學(xué)模型。
　　(2)提出并實(shí)現(xiàn)了多種光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)新結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了各類光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備工藝和表征方法。通過熔融拉錐法、化學(xué)溶蝕法，制備出直徑分布從1μm到10+μm、無內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和帶有內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的微光纖；通過機(jī)械拋磨方法，制備出材料分布從石英光纖到PMMA光纖、模式結(jié)構(gòu)從單模到

8、多模、拋磨深度達(dá)～60μm的D型光纖；通過CVD、濕法轉(zhuǎn)移、液相還原和p/n摻雜技術(shù)，成功將1層到多層、長(zhǎng)度5mm到2cm的本征、高摻甚至帶有官能團(tuán)的石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖上，形成了基于石墨烯的微光纖及其MZI、FBG、MMI，D形光纖及其FBG、MMI，大芯徑光纖SMS等豐富的結(jié)構(gòu)。
　　(3)提出并實(shí)現(xiàn)了基于光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的新型傳感器，全面分析了其光學(xué)傳感機(jī)理，設(shè)計(jì)和制備出了一系列針對(duì)不同對(duì)象，面對(duì)不同需求，基于不同工作原理的

9、高性能微結(jié)構(gòu)光纖生化傳感器?；谖⒐饫w/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)和D形光纖/石墨烯MMI，演示了對(duì)丙酮、二甲苯、氨氣、水蒸氣等有毒或重要的化學(xué)氣體的高靈敏度探測(cè)，最大測(cè)量精度達(dá)到40ppb；基于PMMA光子晶體光纖FBG，演示了對(duì)人體血紅細(xì)胞濃度的傳感，靈敏度達(dá)到亞ppm量級(jí)；基于部分還原氧化石墨烯和SMS的結(jié)合，創(chuàng)先性的完成干涉技術(shù)和熒光共振轉(zhuǎn)移技術(shù)在光纖上的集成，對(duì)重金屬離子、有機(jī)物和DNA實(shí)現(xiàn)了有選擇性的測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)靈敏度的突破。

10、r>　　(4)提出并實(shí)現(xiàn)了基于光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的新型激光器，在D形光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)上同時(shí)展示了卓越的偏振篩選特性和超快飽和吸收效應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)了無腔的脈沖型隨機(jī)光纖激光器，其重頻大范圍可調(diào)、脈沖寬度窄達(dá)～900ps、偏振消光比超過41dB。基于<5cm的集成型分布反饋布拉格光纖光柵，首次實(shí)現(xiàn)了既是窄線寬（<1MHz）、又是窄脈沖（<1μs）的調(diào)Q激光器，逼近傅里葉轉(zhuǎn)換極限，輸出脈沖能量～10nJ。
　　(5)揭示了基于光纖/

11、石墨烯復(fù)合波導(dǎo)的高階非線性新現(xiàn)象和色散調(diào)控特性，深入分析了其物理過程和響應(yīng)特性，理論分析并實(shí)驗(yàn)演示了基于復(fù)合波導(dǎo)其四波混頻現(xiàn)象（FWM）和異頻激發(fā)現(xiàn)象（DFG），分別以CW激光和高能脈沖激光作為泵浦，在微光纖/石墨烯復(fù)合波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)失配>10nm、轉(zhuǎn)換效率>-20dB的非簡(jiǎn)并FWM和級(jí)聯(lián)FWM，在片上石墨烯復(fù)合波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了頻率分布在～5THz到～10THz、轉(zhuǎn)換效率>6×10-5的表面等離激元（SPP）激發(fā)和調(diào)控。另外，通過精確的有